Η επίδραση της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή φλύσχη

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Ε ΑΦΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ, ΘΕΜΕΛΙΩΣΕΩΝ & ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗΣ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΣΤΕΦΑΝΟΣ Μ. ΠΑΠΑ ΟΠΟΥΛΟΣ ιπλ. Πολιτικός Μηχανικός Α.Π.Θ., Msc Η επίδραση της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή φλύσχη ιδακτορική ιατριβή Τόµος Ι Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2014

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Ε ΑΦΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ, ΘΕΜΕΛΙΩΣΕΩΝ & ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗΣ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΣΤΕΦΑΝΟΣ Μ. ΠΑΠΑ ΟΠΟΥΛΟΣ ιπλ. Πολιτικός Μηχανικός Α.Π.Θ., Msc Η επίδραση της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή φλύσχη ιδακτορική ιατριβή Τόµος Ι Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2014

3 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Ε ΑΦΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ, ΘΕΜΕΛΙΩΣΕΩΝ & ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗΣ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΣΤΕΦΑΝΟΣ Μ. ΠΑΠΑ ΟΠΟΥΛΟΣ ιπλ. Πολιτικός Μηχανικός Α.Π.Θ., Msc Η επίδραση της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή φλύσχη ιδακτορική ιατριβή Τόµος Ι Υποβλήθηκε στο τµήµα Πολιτικών Μηχανικών Τοµέας Γεωτεχνικής Μηχανικής Τριµελής Συµβουλευτική Επιτροπή: Τίκα Θ. Καθηγήτρια Α.Π.Θ. Επιβλέπουσα Τσότσος Στ. Οµότιµος Καθηγητής Α.Π.Θ. Μέλος τριµελούς επιτροπής Πιτιλάκης Κ. Καθηγητής Α.Π.Θ. Μέλος τριµελούς επιτροπής Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2014

4 Εκτεταµένη Περίληψη I ΕΚΤΕΤΑΜΕΝΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείµενο της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση της επίδρασης της επιτάχυνσης και της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή εδαφών, τα οποία συνδέονται µε κατολισθητικά φαινόµενα στην Ελλάδα, όπως είναι οι εδαφικοί σχηµατισµοί φλύσχη. Η διατριβή αποτελείται από δύο τόµους. Ο πρώτος τόµος περιέχει τα οκτώ κεφάλαια παρουσίασης της πραγµατοποιηθείσης έρευνας και ο δεύτερος τα τέσσερα συνοδευτικά παραρτήµατα. Το Πρώτο Κεφάλαιο αποτελεί την εισαγωγή της διατριβής στην οποία παρατίθενται το αντικείµενο και ο σκοπός της, καθώς και η οργάνωση της δοµής της. Στο εύτερο Κεφάλαιο αρχικά παρουσιάζεται η βιβλιογραφική ανασκόπηση της ενεργοποίησης της παραµένουσας αντοχής, των µηχανισµών διάτµησης στην παραµένουσα κατάσταση, καθώς και της επίδρασης της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή συνεκτικών εδαφών. Σηµειώνεται ότι στις περισσότερες των προγενέστερων ερευνών και η επίδραση της επιτάχυνσης δεν έχει ληφθεί υπόψη. Στην συνέχεια του κεφαλαίου παρατίθενται ορισµένα βασικά στοιχεία σχετικά µε το γεωλογικό σχηµατισµό του φλύσχη και παρουσιάζονται προγενέστερες έρευνες για τον προσδιορισµό της παραµένουσας αντοχής δειγµάτων φλύσχη από τον ελληνικό και ιταλικό χώρο. Στο Τρίτο Κεφάλαιο γίνεται ανασκόπηση των συσκευών διάτµησης δακτυλίου που έχουν χρησιµοποιηθεί στην έρευνα για την παραµένουσα αντοχή. Η ανασκόπηση αναφέρεται σε τρεις χρονικές περιόδους ανάλογα µε την εξέλιξη των συσκευών διάτµησης δακτυλίου. Στην αρχική περίοδο

5 Εκτεταµένη Περίληψη II αναφέρονται οι προσπάθειες έως το 1970 που οδήγησαν σε πολύπλοκες και µη λειτουργικές συσκευές. Στην ενδιάµεση περίοδο έως το 1984 αναφέρονται ως πιο χαρακτηριστικές οι συσκευές των Bishop et al. (1971) και του Bromhead (1979), οι οποίες γνώρισαν εκτεταµένη χρήση. Στην πρόσφατη περίοδο αναφέρονται συσκευές διάτµησης δακτυλίου που κατασκευάστηκαν µετά το Στη συνέχεια περιγράφεται αναλυτικά η συσκευή διάτµησης δακτυλίου του Εργαστηρίου Εδαφοµηχανικής και Θεµελιώσεων & Γεωτεχνικής Σεισµικής Μηχανικής και οι αρχές λειτουργίας της. Συγκεκριµένα παρουσιάζονται τα συστήµατα τοποθέτησης και εγκιβωτισµού, µέτρησης της διατµητικής δύναµης, µετάδοσης της κίνησης, µέτρησης και καταγραφής των δεδοµένων, καθώς και το καθεστώς τάσεων και παραµορφώσεων στη συσκευή διάτµησης δακτυλίου. Στο ίδιο κεφάλαιο επίσης περιγράφεται η διαδικασία προετοιµασίας των µελετηθέντων δειγµάτων, η διαδικασία των δοκιµών, καθώς και η µέθοδος υπολογισµού και παρουσίασης των αποτελεσµάτων. Σύµφωνα µε την τυπική διαδικασία των δοκιµών διάτµησης δακτυλίου, µετά την ενεργοποίηση της βραδείας παραµένουσας αντοχής, το δοκίµιο αποφορτίζεται από τη διατµητική τάση και στη συνέχεια υποβάλλεται σε µια ακολουθία εναλλασσόµενων φάσεων ταχείας και βραδείας διάτµησης. Για τη µελέτη της επίδρασης της επιτάχυνσης και ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα χρησιµοποιήθηκαν δύο τύποι χρονοϊστοριών διάτµησης (Ι και ΙΙ). Στον τύπο Ι η ταχύτητα αρχικά αυξάνεται µε σταθερή επιτάχυνση σε χρόνο t ac µέχρι µία µέγιστη τιµή, στη συνέχεια ακολουθεί διάτµηση µε σταθερή ταχύτητα ίση µε τη µέγιστη, για χρονικό διάστηµα t cv, και τέλος η κίνηση επιβραδύνεται µε σταθερή επιβράδυνση σε χρόνο t dec, έως την παύση της. Στον τύπο ΙΙ εκτελείται επιταχυνόµενη κίνηση µε σταθερή επιτάχυνση µέχρι µία µέγιστη τιµή της ταχύτητας και στη συνέχεια η κίνηση επιβραδύνεται µε σταθερή επιβράδυνση έως την παύση της. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται η διαδικασία των δοκιµών άµεσης διάτµησης, οι µέθοδοι που χρησιµοποιήθηκαν στις δοκιµές κατάταξης των µελετηθέντων εδαφών και οι µέθοδοι παρατήρησης της µικροδοµής στη ζώνη διάτµησης τους. Οι βαθµονοµήσεις της συσκευής διάτµησης δακτυλίου, τα συστήµατα κίνησης, καθώς και η διερεύνηση της επίδρασης πιθανών λαθών στον υπολογισµό των αποτελεσµάτων παρουσιάζονται στο Παράρτηµα Α.

6 Εκτεταµένη Περίληψη III Στο Τέταρτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα µελετηθέντα εδάφη και το πρόγραµµα εργαστηριακών δοκιµών που ακολουθήθηκε στις δοκιµές διάτµησης δακτυλίου και άµεσης διάτµησης. Χρησιµοποιήθηκαν δείγµατα από τέσσερις διαφορετικούς τύπους αποσαθρωµένου φλύσχη από την περιοχή της υτικής Μακεδονίας και Ηπείρου. Οι τύποι αυτοί αναφέρονται µε το χρώµα τους ως κυανότεφρος (ΚΤ), ροδόχροος (Ρ), σκουρόχρωµος καφέ (ΣΚ) και ανοικτόχρωµος καστανός (ΑΚ) φλύσχης. Για κάθε τύπο φλύσχη παρουσιάζονται η θέση δειγµατοληψίας, οι φυσικές ιδιότητες και η ορυκτολογική σύστασή του. Με τα δείγµατα αυτά διεξήχθησαν συνολικά εικοσιτέσσερις δοκιµές διάτµησης δακτυλίου. Οι δοκιµές ήταν εναλλασσόµενων φάσεων ταχείας και βραδείας διάτµησης στις ορθές τάσεις των 120, 240 και 480kΡa. Οι φάσεις ταχείας διάτµησης έγιναν σε διαφορετικές ταχύτητες προκειµένου να διερευνηθεί η επίδραση της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχής τους. Επίσης διεξήχθησαν φάσεις ταχείας διάτµησης µε ίδια τελική ταχύτητα και διαφορετική επιτάχυνση στους ΣΚ και ΑΚ τύπους φλύσχη για να διερευνηθεί ο ρόλος της επιτάχυνσης στην παραµένουσα αντοχή. Στο τέλος του κεφαλαίου αυτού παρατίθεται το πρόγραµµα των δοκιµών άµεσης διάτµησης για τον προσδιορισµό της κρίσιµης αντοχής των µελετηθέντων δειγµάτων. Στο Πέµπτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η ανάλυση των αποτελεσµάτων των δοκιµών διάτµησης δακτυλίου και άµεσης διάτµησης για κάθε τύπο φλύσχη. Αναλυτική περιγραφή των δοκιµών διάτµησης δακτυλίου και άµεσης διάτµησης πραγµατοποιείται στα Παραρτήµατα Β και Γ αντίστοιχα και των παρατηρήσεων της µικροδοµής των ζωνών διάτµησης στο Παράρτηµα. Στο κεφάλαιο αυτό αρχικά παρουσιάζεται ο προσδιορισµός του µηχανισµού διάτµησης στην παραµένουσα κατάσταση, η µεταβολή του συντελεστή τριβής στη παραµένουσα κατάσταση µε την ορθή τάση και οι περιβάλλουσες της παραµένουσας και κρίσιµης αντοχής κατά τη βραδεία διάτµηση για κάθε δείγµα των τεσσάρων µελετηθέντων τύπων φλύσχη. Στη συνέχεια για κάθε δείγµα των τεσσάρων µελετηθέντων τύπων φλύσχη και για κάθε τύπο φλύσχη συγκεντρωτικά παρατίθενται τα αποτελέσµατα των δοκιµών για την επίδραση της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή των δειγµάτων. Συγκεκριµένα, παρουσιάζεται η µεταβολή των χαρακτηριστικών αντοχών των εδαφών κατά την ταχεία διάτµηση µε τη στιγµιαία ταχύτητα: της ταχείας

7 Εκτεταµένη Περίληψη IV άµεσης, της ταχείας µέγιστης και της ταχείας παραµένουσας αντοχής, καθώς και η µεταβολή της βραδείας µέγιστης αντοχής που ενεργοποιείται κατά την επανέναρξη της βραδείας διάτµησης µετά την ταχεία διάτµηση και τη στερεοποίηση των δοκιµίων. Τα αποτελέσµατα αυτά παρουσιάζονται σε διάφορα επίπεδα της ορθής τάσης (120, 240 και 480kPa). Στο Έκτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η αξιολόγηση των αποτελεσµάτων δοκιµών διάτµησης δακτυλίου και άµεσης διάτµησης αναφορικά µε τη βραδεία παραµένουσα, την ταχεία άµεση, την ταχεία µέγιστη, την ταχεία παραµένουσα και τη βραδεία µέγιστη αντοχή µετά την ταχεία διάτµηση. Για κάθε µια από τις παραπάνω αντοχές προσδιορίζονται οι παράµετροι που τις επηρεάζουν. Για τη βραδεία παραµένουσα αντοχή οι παράµετροι αυτές είναι η ενεργός ορθή τάση, η ορυκτολογική σύσταση, η χηµική σύσταση του ύδατος των πόρων, η επίδραση της θραύσης των κόκκων, η κοκκοµετρική διαβάθµιση και τα όρια Atteberg. Για την ταχεία άµεση και ταχεία µέγιστη αντοχή οι παράµετροι αυτοί είναι η στιγµιαία ταχύτητα και το επίπεδο της ορθής τάσης Οι κυριότερες παράµετροι που επηρεάζουν την ταχεία παραµένουσα αντοχή των ζωνών διάτµησης των µελετηθέντων δειγµάτων είναι η ταχύτητα διάτµησης, η δυνατότητα εισρόφησης νερού κατά την ταχεία διάτµηση και το µέγεθος της επιτάχυνσης κατά την επιβολή της ταχείας διάτµησης. Όσον αφορά στην επίδραση της ταχύτητας, προσδιορίστηκαν τέσσερις διαφορετικοί τύποι µεταβολής της ταχείας παραµένουσας αντοχής µε την ταχύτητα διάτµησης (τύπος Α, Β, Γ και ), όταν υπάρχει δυνατότητα εισρόφησης νερού στη ζώνη διάτµησης. Στους παραπάνω τύπους, για µικρές ταχύτητες διάτµησης η ταχεία παραµένουσα αντοχή είτε είναι σταθερή και ίση µε τη βραδεία παραµένουσα, είτε παρουσιάζει µικρή αποµείωση µέχρι 20% κάτω από τη βραδεία παραµένουσα (Περιοχή 1). Για µεσαίες ταχύτητες διάτµησης η ταχεία παραµένουσα αντοχή αυξάνεται συγκριτικά µε την τιµή της στην Περιοχή 1 και αποκτά τιµές είτε υψηλότερες, είτε ίσες µε τη βραδεία παραµένουσα µέχρι όµως µια οριακή τιµή της ταχύτητας διάτµησης (Περιοχή 2). Τέλος µε την αύξηση της ταχύτητας διάτµησης πέραν της παραπάνω οριακής τιµής παρατηρείται µια σηµαντική πτώση της ταχείας παραµένουσας αντοχής κάτω από τη βραδεία παραµένουσα (Περιοχή 3). Η αλλαγή της συµπεριφοράς των ζωνών διάτµησης στις Περιοχές 1, 2 και 3 των ταχυτήτων διάτµησης ερµηνεύεται από την αλλαγή της δοµής του εδαφικού υλικού στη ζώνης

8 Εκτεταµένη Περίληψη V διάτµησης Η σηµαντική πτώση της ταχείας παραµένουσας αντοχής σε επίπεδα κάτω από τη βραδεία παραµένουσα στην Περιοχή 3 παρατηρήθηκε σε όλα τα δείγµατα του φλύσχη που εξετάστηκαν για τιµές της επιτάχυνσης µεγαλύτερες από µια κρίσιµη τιµή και όταν υπήρχε δυνατότητα εισρόφησης νερού στη ζώνη διάτµησης. Καµία πτώση της ταχείας παραµένουσας αντοχής δεν παρατηρείται όταν η επιτάχυνση είναι µικρότερη από την κρίσιµη τιµή, ακόµη και όταν υπάρχει δυνατότητα εισρόφησης νερού στη ζώνη διάτµησης. Καµία έως σχετικά µικρή πτώση, αντίστοιχη της περιοχής 1 παρατηρείται επίσης και στην περίπτωση που η επιτάχυνση της ταχείας διάτµησης είναι µεγαλύτερη από την κρίσιµη τιµή της και όταν δεν υπάρχει δυνατότητα εισρόφησης νερού. Η κρίσιµη τιµή της επιτάχυνσης εξαρτάται από τον τύπο του εδάφους. Στο Έβδοµο Κεφάλαιο παρουσιάζονται αρχικά τα συµπεράσµατα της διατριβής αναφορικά µε τη βραδεία παραµένουσα, την ταχεία άµεση, την ταχεία µέγιστη, την ταχεία παραµένουσα και τη βραδεία µέγιστη αντοχή των µελετηθέντων δειγµάτων φλύσχη και στη συνέχεια η πρακτική εφαρµογή των αποτελεσµάτων της. Η τελευταία εστιάζεται κυρίως στην καταστατική προσοµοίωση της συµπεριφοράς προϋπαρχουσών ζωνών διάτµησης. Η προσοµοίωση αυτή θεωρείται καθοριστική για την αξιόπιστη κινηµατική ανάλυση επαναδραστηριοποιούµενων κατολισθήσεων, η οποία απαιτείται για την εκτίµηση της επιτάχυνσης, ταχύτητας και µετατόπισης τους και στη συνέχεια για τη διαχείριση της επικινδυνότητας τους. Τέλος στο Όγδοο Κεφάλαιο προτείνονται θέµατα για µελλοντική έρευνα στο αντικείµενο της διατριβής.

9

10 Extended Abstract VII EXTENDED ABSTRACT The aim of this thesis is the examination of the influence of the acceleration and the rate of displacement to the residual strength of soils which are connected to landslides in Greece, such as flysch. The thesis consists of two volumes. The first volume includes the eight chapters with the presentation of the laboratory investigation and the second volume includes the four appendixes. The First Chapter is the introduction of this thesis where the aim and the flow structure are specified. The Second Chapter initially presents a literature review of the activation of the residual strength, the shear modes in residual strength and the influence of the rate of displacement in residual strength of cohesive soils. It is noticeable that in most of the previous investigations the influence of acceleration was not examined. The following part of this chapter reviews the basic geological characteristics of flysch and presents previous investigations into the specification of the residual strength of various flysch specimens from Greece and Italy. The Third Chapter presents a review of ring shear apparati used in investigations for the residual strength. The review is divided to three chronological periods according to the evolution of the ring shear apparati. The initial period refers to the efforts until 1970 which concluded to not functional apparati. In the middle period until 1984 the apparati of Bishop et al. (1971) and Bromhead (1979) are referred as those with the most extensive use. The resent period refers to ring shear apparati developed after The following part of the chapter describes thoroughly the ring shear apparatus of the Laboratory of Soil Mechanics, Foundation and Geotechnical Earthquake

11 Extended Abstract VIII Engineering and its principles of operation. Specifically, there are presented the settlement settings in the apparatus box, the measuring systems of the shear stress, the motion transmission, the data recording systems and the measurement of stress and strain in the ring shear apparatus. In the same chapter there are also described the sample presentation, the testing techniques and the calculation and presentation of results. According to the standard testing procedure, after the slow residual strength is established, the sample is unloaded from the shear stress and is submitted to an accordance of sequental phases of fast and slow shearing. For the study of influence of the acceleration and the rate of displacement in residual strength there were used two types time histories of rate displacement (I and II). In Type I the rate of displacement is initially increased with constant acceleration in time t ac, until a maximum value, it is followed by shear with constant rate of displacement equal to the maximum, for time t cv, and in the end the rate of displacement is decelerated with constant deceleration in time t dec, until stopped. In Type II the rate of displacement is increased with constant acceleration until a maximum value, it is after decreased with constant deceleration until stopped. The end of the chapter presents the procedure of direct shear box tests, the methods followed in the classification tests and the study of the microstructure in the shear zone of the soils tested. The calibrations of ring shear apparatus, the motor drive units and the discussion of the testing errors in the accuracy of measurements are presented in Appendix A. The Fourth Chapter presents the tested soils and the laboratory program followed in ring shear and direct shear box tests. The samples used were from four different types of decomposed flysch from regions of Western Macedonia and Ipeirus. These types are referred with their color as blue-grey (KT), roze (Ρ), dark brown (ΣΚ) and light yellow (AK) flysch. For each type there are presented the sampling, the natural characteristics and the mineral composition. Twenty four ring shear tests were carried out for these samples. The tests had sequental phases of fast and slow shearing in normal stress of 120, 240 και 480kΡa. The phases of fast rate displacement were carried out in different rates of displacement in order to investigate the influence of the rate of displacement in the residual strength. In ΣΚ and ΑΚ flysch types, phases of fast rate displacement with the same final rate of displacement and different

12 Extended Abstract IX acceleration were carried out in order to investigate the influence of the acceleration in the residual strength. The end of this chapter contains the direct shear box tests for the specification of the critical shear strength for the tested soils. The Fifth Chapter presents the analysis of results from the ring shear and direct shear box tests for each flysch type. The extended presentation of ring shear tests is included in appendix B and from direct shear box tests is included in appendix C. The observations from the study of the microstructure in the shear zone of the soils tested are included in appendix D. This chapter initially presents the specification of shear mode in residual strength, the variation of residual strength with the normal stress and the envelopes of shear and critical strength in slow rate of displacement for each of the four flysch types. The next part of the chapter includes the results of the tests for the influence of the rate displacement in the residual strength for each flysch sample individual and for each flysch type. Specifically, there is the presentation of the variation of characteristic soil strengths in fast shearing with the instant rate of displacement: the threshold strength, the fast peak strength, the fast residual strength, the slow peak strength after fast shearing and specimen consolidation. These results are presented in various levels of normal stress (120, 240 και 480kPa). The Sixth Chapter presents the discussion of ring shear and direct ring shear test results according to the threshold strength, the fast peak strength, the fast residual strength, the slow peak strength after fast shearing and specimen consolidation. For each of the above strengths, there are specified the inflective parameters. For slow shear strength these parameters are the effective normal stress, the mineral composition, the chemical composition of pore water pressure, the influence of grain cracking, the grain-size distribution and the Atteberg limits. For the threshold and fast peak strengths these parameters are the instant rate of displacement and the normal stress level. The important parameters that influence the fast residual strength of shear zones of the specimen are the rate of displacement, the ability of suction in fast shearing and the value of acceleration in the fast shearing implementation. As for the influence of the rate of displacement, there were specified four different types of variation of the fast residual strength with the

13 Extended Abstract X increasing rate of displacement (Types A, B, C, D), when there is ability of suction in shear zone. In the above types, for low values of rate of displacement, the fast residual strength is either constant and equal to the slow residual strength or is reducing until 20% below the slow residual strength (Region 1). For middle values of rate of displacement, the fast residual strength is increasing comparative to the value of Region 1 and obtains value either higher, or equal to the slow residual strength until a critical value of the rate of displacement (Region 2). With the increasing of the rate of displacement above the critical value, a significant drop of the fast residual strength is observed below the slow residual strength (Region 3). The change of behaviors in the shear zones in Regions 1, 2 and 3 of the rate of displacement is explained by the change of structure of soil in shear zone. The significant drop of the fast residual strength in levels below the slow residual strength in Region 3 is observed for all the flysch samples that were examined and for acceleration values higher than a critical value and when there was suction ability in shear zone. No drop of the fast residual strength is observed when the acceleration is lower than the critical value, even when there is ability of suction in shear zone. No or small drop of the fast residual strength, comparative to the one in Region 1, is also observed when the acceleration of the fast shearing is higher than the critical value and when there is no ability of suction. The critical value of acceleration is depended on the soil type. The Seventh Chapter initially presents the conclusions of the thesis for the slow residual strength, the threshold strength, the fast peak strength, the fast residual strength and the slow peak strength after fast shearing and specimen consolidation. The conclusions are followed by the practical implications of the results. The practical implication is focused on the numerical simulation of the behaviour of pre-existed shear zones. This simulation is critical for the reliability of cinematic analysis of reactivated landslides, which is needed for the estimation of acceleration, rate of displacement and displacement and therefore the risk management. The Eighth Chapter suggests issues for future research in the field of the thesis.

14 Ευχαριστίες XI ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Πριν την παρουσίαση της παρουσίασης οφείλω να ευχαριστήσω όλους όσους συνέβαλλαν στην ολοκλήρωσή της και συγκεκριµένα: Την Καθηγήτρια µου κα. Θεοδώρα Τίκα Βασιλικού για την πολύτιµη στήριξη, βοήθεια, καθοδήγηση και εµψύχωση σε κάθε βήµα σε όλα τα χρόνια εκπόνησης της διατριβής. Η παρουσία της ήταν καθοριστική σε κάθε στάδιο από τον καθορισµό των αντικειµένων της έρευνας έως την τελική της συγγραφή. Είναι αξιοθαύµαστος ο χρόνος που διέθεσε και η υποµονή που επέδειξε απέναντι µου. Χωρίς τη γνώση, την εµπειρία και τη θετική της διάθεση στις αντιξοότητες που προέκυπταν θα ήταν αδύνατη η ολοκλήρωση της διατριβής. Η πολυετής συναναστροφή µαζί της µε εξέλιξε όχι µόνο ως επιστήµονα αλλά και ως άνθρωπο. Θεωρώ ότι της οφείλω πολλά που δε µπορούν να συµπεριληφθούν σε ένα κείµενο ευχαριστιών. Τον Καθηγητή κ. Κυριαζή Πιτιλάκη για τη µεγάλη ευκαιρία που µου έδωσε να απασχοληθώ σε ερευνητικά προγράµµατα και να εµβαθύνω στο αντικείµενο µου. Τον Οµότιµο Καθηγητή κ. Στέφανο Τσώτσο για τη συνολική βοήθεια που µου προσέφερε. Την Επίκουρη Καθηγήτρια του Τµήµατος Γεωλογίας Α.Π.Θ. κα. Λαµπρινή Παπαδοπούλου για τη µεγάλη βοήθεια µε τη διάθεση των εικόνων από το ηλεκτρονικό και πολωτικό µικροσκόπιο του τµήµατος, καθώς και µε την εκµάθηση της λειτουργίας τους. Τον πολιτικό µηχανικό και µέλος του Ε.Ε.Θ. Γ.Σ.Μ. κ. Γεώργιο Κονίνη για την πολύτιµη βοήθεια του στη διεξαγωγή των εργαστηριακών δοκιµών. Η εργαστηριακή του εµπειρία αποδείχτηκε απαραίτητη στο πειραµατικό στάδιο της έρευνας.

15 Ευχαριστίες XII Τον πολιτικό µηχανικό, υποψήφιο διδάκτορα και πλέον φίλο µου κ. Στέλιο Ελπέκο για τη στήριξη, τις συµβουλές και τη συµπαράσταση σε κάθε φάση της διατριβής και κυρίως στην εκµάθηση λειτουργίας της συσκευής διάτµησης δακτυλίου του Ε.Ε.Θ. Γ.Σ.Μ. Τους ρ. Καβουνίδη Σπύρο και ρ. Ντουνιά Γεώργιο για τη διάθεση αποτελεσµάτων από µελέτες κατολισθήσεων. Τη ρ. Πολυξένη Καλλιόγλου για τις υποδείξεις κατά τη συγγραφή της διατριβής. Τη ρ. Ανθή Παπαδοπούλου για τις συµβουλές και τη στήριξη που µου προσέφερε κατά το διάστηµα που εκπονούσαµε µαζί τις διατριβές µας. Επίσης, τον ρ. Κώστα Σενετάκη και τους υποψήφιους διδάκτορες ηµήτριο Κουροπαλάτη, Κώστα Τρευλόπουλο, Αντιγόνη Βραννά και Ευστάθιο Κιούση για τη συνεργασία και την παρέα που αναπτύξαµε στους χώρους των εργαστηρίων όλα αυτά τα χρόνια. Τέλος, ένα ιδιαίτερο ευχαριστώ στην οικογένειά µου, στον πατέρα, τη µητέρα και την αδερφή µου για τη διαρκή συµπαράσταση και εµψύχωση τους όλα αυτά τα χρόνια προσπάθειας. Για τις στιγµές που πίστεψαν στις δυνατότητες και το έργο µου περισσότερο από εµένα και µου έδωσαν κουράγιο να συνεχίσω µέχρις τέλους αυτή την πορεία.

16 Περιεχόµενα XIII Περιεχόµενα ΕΚΤΕΤΑΜΕΝΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ...I EXTENDED ABSTRACT... VII ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... XI Περιεχόµενα... XIII Κατάλογος Σχηµάτων... XVII Κατάλογος Πινάκων...XXV Κατάλογος Συµβόλων...XXVII ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αντικείµενο και σκοπός της διδακτορικής διατριβής Οργάνωση της διδακτορικής διατριβής...5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ Εισαγωγή Ενεργοποίηση της παραµένουσας αντοχής και µηχανισµοί διάτµησης στην παραµένουσα κατάσταση Επίδραση της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή συνεκτικών εδαφών Η παραµένουσα αντοχή φλύσχη Γενικά Πργενέστερες έρευνες για την παραµένουσα αντοχή φλύσχη..27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΟΚΙΜΕΣ & ΜΕΘΟ ΟΙ Εισαγωγή Ανασκόπηση της συσκευής διάτµησης δακτυλίου - Ιστορική αναδροµή Αρχική περίοδος (ως 1970) Ενδιάµεση περίοδος ( ) Πρόσφατη περίοδος (1985 έως σήµερα) Συσκευή διάτµησης δακτυλίου (IC-NGI) Ε.Ε.Θ.-Γ.Σ.Μ Γενικές αρχές λειτουργίας...64

17 Περιεχόµενα XIV Σύστηµα τοποθέτησης και εγκιβωτισµού του δοκιµίου Σύστηµα κάθετης φόρτισης Σύστηµα ελέγχου του διάκενου µεταξύ των δακτυλίων εγκιβωτισµού Σύστηµα µέτρησης της διατµητικής δύναµης Συστήµατα µετάδοσης κίνησης Συστήµατα µέτρησης και καταγραφής των µετρήσεων Καθεστώς τάσεων και παραµορφώσεων στη συσκευή διάτµησης δακτυλίου ιαδικασία δοκιµών διάτµησης δακτυλίου Προετοιµασία δειγµάτων ιαδικασία δοκιµών διάτµησης δοκιµίου Υπολογισµοί και παρουσίαση των αποτελεσµάτων οκιµές άµεσης διάτµησης οκιµές κατάταξης Μελέτη µικροδοµής εδαφικών δοκιµίων Κατασκευή λεπτών τοµών Παρατήρηση της µικροδοµής...80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΜΕΛΕΤΗΘΕΝΤΑ Ε ΑΦΗ & ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΟΚΙΜΩΝ Εισαγωγή Χρησιµοποιηθέντα εδάφη Θέση δειγµατοληψίας και φυσικές ιδιότητες Ορυκτολογική ανάλυση Πρόγραµµα δοκιµών διάτµησης δακτυλίου Πρόγραµµα δοκιµών άµεσης διάτµησης...99 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Εισαγωγή Ανάλυση αποτελεσµάτων Κυανότεφρος φλύσχης (ΚΤ) Ροδόχροος φλύσχης (Ρ) Σκουρόχρωµος καφέ φλύσχης (ΣΚ) Ανοικτόχρωµος καστανός φλύσχης (ΑΚ)...138

18 Περιεχόµενα XV ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Εισαγωγή Προβλήµατα κατά τη διεξαγωγή των δοκιµών διάτµησης δακτυλίου Η βραδεία παραµένουσα αντοχή Επίδραση της ενεργού ορθής τάσης Επίδραση της ορυκτολογικής σύστασης Επίδραση της χηµικής σύστασης του ύδατος των πόρων Επίδραση της θραύσης των κόκκων Επίδραση του σχήµατος και της κοκκοµετρικής διαβάθµισης των κόκκων Συσχέτιση της παραµένουσας αντοχής και των ορίων Atteberg Η ταχεία άµεση αντοχή Η ταχεία µέγιστη αντοχή Η ταχεία παραµένουσα αντοχή Επίδραση της ταχύτητας διάτµησης Εισρόφηση νερού στη ζώνη διάτµησης Επίδραση της επιτάχυνσης Η βραδεία µέγιστη παραµένουσα αντοχή µετά από ταχεία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Εισαγωγή Συµπεράσµατα Βραδεία παραµένουσα αντοχή Ταχεία άµεση αντοχή Ταχεία µέγιστη αντοχή Ταχεία παραµένουσα αντοχή Βραδεία µέγιστη αντοχή Πρακτική εφαρµογή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8: ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ ΕΡΕΥΝΑΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...297

19 Περιεχόµενα XVI ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α: ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ ΑΚΤΥΛΙΟΥ ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΕΙΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ & ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΛΑΘΩΝ Α.1 Συστήµατα µετάδοσης κίνησης Α.1.1 Σύστηµα Α Α.1.2 Σύστηµα Β Α.2 Βαθµονοµήσεις της συσκευής Α.3 ιερεύνηση λαθών Α.3.1 Αναπτυσσόµενη τριβή στο διάκενο των δακτυλίων εγκιβωτισµού Α.3.2 Λάθος κατά τη µέτρηση του ζεύγους των δυνάµεων της στρεπτικής ροπής Α.3.3 Λάθος λόγω της µέτρησης της πλευρικής τριβής ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΟΚΙΜΩΝ ΣΥΣΚΕΥΗΣ ΙΑΤΜΗΣΗΣ ΑΚΤΥΛΙΟΥ (IC-NGI) Ε.Ε.Θ.- Γ.Σ.Μ Β.1 Κυανότεφρος φλύσχης Β.2 Ροδόχροος φλύσχης Β.3 Σκουρόχρωµος καφέ φλύσχης Β.4 Ανοικτόχρωµος καστανός φλύσχης ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ: ΟΚΙΜΕΣ ΑΜΕΣΗΣ ΙΑΤΜΗΣΗΣ Γ.1 οκιµές άµεσης διάτµησης ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ : ΕΙΚΟΝΕΣ ΜΙΚΡΟ ΟΜΗΣ ΖΩΝΗΣ ΙΑΤΜΗΣΗΣ ΑΚΤΥΛΙΟΥ...753

20 Κατάλογος Σχηµάτων XVII Κατάλογος Σχηµάτων Σχήµα 2.1 Παραµένουσα αντοχή σε υπερστερεοποιηµένες και κανονικά στερεοποιηµένες αργίλους (Skempton, 1964)...36 Σχήµα 2.2 Ορισµός δείκτη πόρων στερεού σκελετού (Lupini et al., 1981)...37 Σχήµα 2.3 Σχέση µηχανισµών διάτµησης και δείκτη πόρων στερεού σκελετού, eg (Lupini, 1981)...38 Σχήµα 2.4 Συσχέτιση του µηχανισµού διάτµησης µε την τιµή της παραµένουσας γωνίας τριβής, φ r, του δείκτη πλαστικότητας, PI, και του ποσοστού αργιλικού κλάσµατος, CF, Lupini et al., 1981)...39 Σχήµα 2.5 Ενεργοποίηση της παραµένουσας αντοχής σε συνθήκες πλήρους στράγγισης σε: (α) εδάφη µε χαµηλό ποσσοτό αργιλικού κλάσµατος (CF<20%) και (β) εδάφη µε υψηλό ποσοστό αργιλικού κλάσµατος (Skempton, 1985)...40 Σχήµα 2.6 Μεταβολές παραµένουσας αντοχής κατά την ταχεία διάτµηση (Tika, 1989)...41 Σχήµα 2.7 Τύποι µεταβολής της ταχείας παραµένουσας αντοχής µε την αύξηση της ταχύτητας διάτµησης (Tika, 1989)...42 Σχήµα 2.8 Προφίλ άκαµπτου δακτυλίου διάτµησης που χρησιµοποιήθηκε από τους Petley & Taylor (1998, 1999)...43 Σχήµα 2.9α Ανακυκλιζόµενη ηµιτονοειδής φόρτιση σταθερού πλάτους σε προδιατετµηµένα δοκίµια Kukuno clay (Yoshimine et. al, 1999)...44 Σχήµα 2.9β Ανακυκλιζόµενη ηµιτονοειδής φόρτιση αυξανόµενου πλάτους σε προδιατετµηµένα δοκίµια Galdian clay (Yoshimine et. al, 1999)...45 Σχήµα 2.10 Μεταβολή της πίεσης του νερού των πόρων κατά την ταχεία διάτµηση σε δοκίµιο αργίλου του Λονδίνου στη σ n =176kPa και ταχύτητα 1.000mm/min (Fearon, 2004)...47 Σχήµα 3.1 Γενική διάταξη της συσκευής διάτµησης δακτυλίου...87 Σχήµα 3.2 ιαµήκης τοµή που δείχνει τη σύνδεση φόρτισης και το βραχίονα ροπής IC-NGI...88 Σχήµα 3.3 Εγκάρσια τοµή που δείχνει τη σύνδεση των άνω περιοριστικών δακτυλίων...89 Σχήµα 3.4 Εγκάρσια τοµή του συστήµατος τοποθέτησης και εγκιβωτισµού του δοκιµίου στη συσκευή IC-NGI...90 Σχήµα 3.5 Xρονοϊστορίες ταχύτητας διάτµησης α) τύπος Ι, β) τύπος ΙΙ...91 Σχήµα 4.1 Κοκκοµετρική καµπύλη δειγµάτων κυανότεφρου φλύσχη (ΚΤ)..120 Σχήµα 4.2 Κοκκοµετρική καµπύλη δειγµάτων ροδόχροου φλύσχη (Ρ)...121

21 Κατάλογος Σχηµάτων XVIII Σχήµα 4.3 Κοκκοµετρική καµπύλη δειγµάτων σκουρόχρωµου καφέ φλύσχη (ΣΚ) Σχήµα 4.4 Κοκκοµετρική καµπύλη δείγµατος ανοικτόχρωµου καστανού φλύσχη (ΑΚ) Σχήµα 5.1 Ιδεατή συµπεριφορά στη συσκευή διάτµησης δακτυλίου σύµφωνα µε την ακολουθία φόρτισης και το µηχανισµό διάτµησης στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση (Lupini et al., 1981) Σχήµα 5.2 Μεταβολή του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε την ενεργό ορθή τάση, σ n, για το δείγµα ΚΤ-Α Σχήµα 5.3 Περιβάλλουσες παραµένουσας και κρίσιµης αντοχής για το δείγµα ΚΤ-Α Σχήµα 5.4 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n)0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 120kPa για το δείγµα ΚΤ-A Σχήµα 5.5 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 240kPa για το δείγµα ΚΤ-Α Σχήµα 5.6 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 480kPa για το δείγµα ΚΤ-Α Σχήµα 5.7 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 880kPa για το δείγµα ΚΤ-Α Σχήµα 5.8 Μεταβολή του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε την ενεργό ορθή τάση, σ n, για το δείγµα ΚΤ-B Σχήµα 5.9 Περιβάλλουσες παραµένουσας και κρίσιµης αντοχής για το δείγµα ΚΤ-Β Σχήµα 5.10 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 120kPa για το δείγµα ΚΤ-B Σχήµα 5.11 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 240kPa για το δείγµα ΚΤ-B Σχήµα 5.12 Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα της επίδρασης της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή στην ονοµαστική ορθή τάση των 120kPa για τα δείγµατα ΚΤ-Α και ΚΤ-Β Σχήµα 5.13 Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα της επίδρασης της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή στην ονοµαστική ορθή τάση των 240kPa για τα δείγµατα ΚΤ-Α και ΚΤ-Β Σχήµα 5.14 Μεταβολή του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε την ενεργό ορθή τάση, σ n, για το δείγµα Ρ-Α Σχήµα 5.15 Περιβάλλουσες παραµένουσας και κρίσιµης αντοχής για το δείγµα Ρ-Α Σχήµα 5.16 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 120kPa για το δείγµα Ρ-Α Σχήµα 5.17 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 240kPa για το δείγµα Ρ-Α...157

22 Κατάλογος Σχηµάτων XIX Σχήµα 5.18 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 480kPa για το δείγµα Ρ-Α Σχήµα 5.19 Μεταβολή του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε την ενεργό ορθή τάση, σ n, για το δείγµα Ρ-Β Σχήµα 5.20 Περιβάλλουσες παραµένουσας και κρίσιµης αντοχής για το δείγµα Ρ-Β Σχήµα 5.21 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 120kPa για το δείγµα Ρ-Β Σχήµα 5.22 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 240kPa για το δείγµα Ρ-Β Σχήµα 5.23 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 480kPa για το δείγµα Ρ-Β Σχήµα 5.24 Μεταβολή του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε την ενεργό ορθή τάση, σ n, για το δείγµα Ρ-Γ Σχήµα 5.25 Περιβάλλουσες παραµένουσας και κρίσιµης αντοχής για το δείγµα Ρ-Γ Σχήµα 5.26 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n ) / (τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 120kPa για το δείγµα Ρ-Γ Σχήµα 5.27 Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα της επίδρασης της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή στην ονοµαστική ορθή τάση των 120kPa για τα δείγµατα Ρ-Α, Ρ-Β και Ρ-Γ Σχήµα 5.28 Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα της επίδρασης της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή στην ονοµαστική ορθή τάση των 240kPa για τα δείγµατα Ρ-Α, Ρ-Β και Ρ Σχήµα 5.29 Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα της επίδρασης της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή στην ονοµαστική ορθή τάση των 480kPa για τα δείγµατα Ρ-Α, Ρ-Β και Ρ-Γ Σχήµα 5.30 Μεταβολή του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε την ενεργό ορθή τάση, σ n, για το δείγµα ΣΚ-Α Σχήµα 5.31 Περιβάλλουσες παραµένουσας και κρίσιµης αντοχής για το δείγµα ΣΚ-Α Σχήµα 5.32 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 120kPa για το δείγµα ΣΚ-Α Σχήµα 5.33 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 240kPa για το δείγµα ΣΚ-Α Σχήµα 5.34 Μεταβολή του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε την ενεργό ορθή τάση, σ n, για το δείγµα ΣΚ-Β Σχήµα 5.35 Περιβάλλουσες παραµένουσας και κρίσιµης αντοχής για το δείγµα ΣΚ-Β Σχήµα 5.36 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 240kPa για το δείγµα ΣΚ-Β...176

23 Κατάλογος Σχηµάτων XX Σχήµα 5.37 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 480kPa για το δείγµα ΣΚ-B, συµπεριλαµβάνεται και η Φάση 2 της δοκιµής 9-ΣΚ-Γ Σχήµα 5.38 Μεταβολή του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε την ενεργό ορθή τάση, σ n, για το δείγµα ΣΚ-Γ Σχήµα 5.39 Περιβάλλουσες παραµένουσας και κρίσιµης αντοχής για το δείγµα ΣΚ-Γ του σκουρόχρωµου καφέ φλύσχη Σχήµα 5.40 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 240kPa για το δείγµα ΣΚ-Γ Σχήµα 5.41 Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα της επίδρασης της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή στην ονοµαστική ορθή τάση των 240kPa για τα δείγµατα ΣΚ-Α, ΣΚ-Β και ΣΚ-Γ Σχήµα 5.42 Μεταβολή του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε την ενεργό ορθή τάση, σ n, για το δείγµα ΑΚ Σχήµα 5.43 Περιβάλλουσες παραµένουσας και κρίσιµης αντοχής για το δείγµα ΑΚ Σχήµα 5.44 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 120kPa για το δείγµα ΑΚ Σχήµα 5.45 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 240kPa για το δείγµα ΑΚ Σχήµα 5.46 ιάγραµµα µεταβολής του λόγου (τ/σ n )/(τ r /σ n) 0,01 µε την ταχύτητα διάτµησης στην ονοµαστική ορθή τάση των 480kPa για το δείγµα ΑΚ Σχήµα 6.1 Μεταβολή του συντελεστή τριβής τ/σ n, (α) και του ύψους του δοκιµίου (β) µε τη µετατόπιση στη σ n = 240kPa για το δείγµα ΑΚ Σχήµα 6.2 Επίδραση της θραύσης των κόκκων στην πτώση της βραδείας παραµένουσας αντοχής στη δοκιµή 1-Ρ-Α στη σ n=240kpa Σχήµα 6.3 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε το δείκτη πόρων του στερεού σκελετού, e g, στην ονοµαστική ενεργό ορθή τάση των 120kPa Σχήµα 6.4 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε το δείκτη πόρων του στερεού σκελετού, e g, στην ονοµαστική ενεργό ορθή τάση των 240kPa Σχήµα 6.5 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε το δείκτη πόρων του στερεού σκελετού, e g, στην ονοµαστική ενεργό ορθή τάση των 480kPa Σχήµα 6.6 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε το όριο υδαρότητας, WL, στην ονοµαστική ενεργό ορθή τάση των 120kPa Σχήµα 6.7 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε το όριο υδαρότητας, WL, στην ονοµαστική ενεργό ορθή τάση των 240kPa...228

24 Κατάλογος Σχηµάτων XXI Σχήµα 6.8 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε το όριο υδαρότητας, WL, στην ονοµαστική ενεργό ορθή τάση των 480 kpa Σχήµα 6.9 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε το δείκτη πλαστικότητας, PI, στην ονοµαστική ενεργό ορθή τάση των 120kPa Σχήµα 6.10 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε το δείκτη πλαστικότητας, PI, στην ονοµαστική ενεργό ορθή τάση των 240kPa Σχήµα 6.11 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε το δείκτη πλαστικότητας, PI, στην ονοµαστική ενεργό ορθή τάση των 480kPa Σχήµα 6.12 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε το ποσοστό αργιλικού κλάσµατος, CF (%<2µm), στην ονοµαστική ενεργό ορθή τάση των 120kPa Σχήµα 6.13 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε το ποσοστό αργιλικού κλάσµατος, CF (%<2µm), στην ονοµαστική ενεργό ορθή τάση των 240kPa Σχήµα 6.14 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, τ r /σ n, µε το ποσοστό αργιλικού κλάσµατος, CF (%<2µm), στην ονοµαστική ενεργό ορθή τάση των 480kPa Σχήµα 6.15 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΚΤ-Α στην ταχύτητα των 10 mm/min Σχήµα 6.16 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα Ρ-Α στην ταχύτητα των 10 mm/min Σχήµα 6.17 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΣΚ-Α στην ταχύτητα των 10mm/min Σχήµα 6.18 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΑΚ στην ταχύτητα των 10mm/min Σχήµα 6.19 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΚΤ-Α στην ταχύτητα των 65mm/min Σχήµα 6.20 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα Ρ-Α στην ταχύτητα των 65mm/min Σχήµα 6.21 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΣΚ-Α στην ταχύτητα των 65mm/min Σχήµα 6.22 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΑΚ στην ταχύτητα των 65mm/min Σχήµα 6.23 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΣΚ-Α στην ταχύτητα των 100mm/min Σχήµα 6.24 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΚΤ-Α στην ταχύτητα των 400mm/min Σχήµα 6.25 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα Ρ-Β στην ταχύτητα των 400mm/min...246

25 Κατάλογος Σχηµάτων XXII Σχήµα 6.26 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΣΚ-Α στην ταχύτητα των 400mm/min Σχήµα 6.27 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΣΚ-Β στην ταχύτητα των 400mm/min Σχήµα 6.28 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΣΚ-Γ στην ταχύτητα των 400mm/min Σχήµα 6.29 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΑΚ στην ταχύτητα των 400mm/min Σχήµα 6.30 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΚΤ-Β στην ταχύτητα των 1.000mm/min Σχήµα 6.31 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα Ρ-Β στην ταχύτητα των 1.000mm/min Σχήµα 6.32 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΣΚ-Β στην ταχύτητα των 1.000mm/min Σχήµα 6.33 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΑΚ στην ταχύτητα των 1.000mm/min Σχήµα 6.34 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΚΤ-Β στην ταχύτητα των 2.450mm/min Σχήµα 6.35 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα Ρ-Γ στην ταχύτητα των 2.500mm/min Σχήµα 6.36 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΣΚ-Β στην ταχύτητα των 2.500mm/min Σχήµα 6.37 Περιβάλλουσες διατµητικής αντοχής για το δείγµα ΑΚ στην ταχύτητα των 2.500mm/min Σχήµα 6.38 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής στην ταχεία άµεση, ταχεία µέγιστη, ταχεία παραµένουσα και κρίσιµη αντοχή µε τη βραδεία παραµένουσα κατάσταση στην ονοµαστική ορθή τάση των 120kPa για το σύνολο των µελετηθέντων εδαφών Σχήµα 6.39 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής στην ταχεία άµεση, ταχεία µέγιστη, ταχεία παραµένουσα και κρίσιµη αντοχή µε τη βραδεία παραµένουσα κατάσταση στην ονοµαστική ορθή τάση των 240kPa για το σύνολο των µελετηθέντων εδαφών Σχήµα 6.40 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής στην ταχεία άµεση, ταχεία µέγιστη, ταχεία παραµένουσα και κρίσιµη αντοχή µε τη βραδεία παραµένουσα κατάσταση στην ονοµαστική ορθή τάση των 480kPa για το σύνολο των µελετηθέντων εδαφών Σχήµα 6.41 Τύποι µεταβολής του λόγου συντελεστή τριβής στην ταχεία παραµένουσα κατάσταση προς τη βραδεία παραµένουσα κατάσταση (τ/σ n ) d /(τ r /σ n) a µε την ταχύτητα διάτµησης Σχήµα 6.42 Μεταβολή του συντελεστή τριβής τ/σ n (α) και του ύψους του δοκιµίου (β) µε τη µετατόπιση για σ n =240kPa για ταχύτητα διάτµησης 1mm/min για το σύνολο των µελετηθέντων εδαφών (Περιοχή 1)...263

26 Κατάλογος Σχηµάτων XXIII Σχήµα 6.44 ιάταξη της ζώνης διάτµησης εδαφών µε µεταβατικό µηχανισµό διάτµησης κατά την ενεργοποίηση (α) της βραδείας παραµένουσας αντοχής και (β) της ταχείας παραµένουσας άντοχής στη (β) Περιοχή 1, στη (γ) Περιοχή 2 και στη (δ) Περιοχή Σχήµα 6.45 Μεταβολή του συντελεστή τριβής τ/σ n (α) και του ύψους του δοκιµίου (β) µε τη µετατόπιση για σ n =240kPa για ταχύτητα διάτµησης 65mm/min για τις οκιµές 1-ΚΤ-Α και 1-ΣΚ-Α (Περιοχή 2) Σχήµα 6.46 Μεταβολή του συντελεστή τριβής τ/σ n (α), της ταχύτητας διάτµησης (β) και του ύψους του δοκιµίου (γ) µε τη µετατόπιση για σ n =480kPa για ταχύτητα διάτµησης 2.500mm/min για τη οκιµή 3-ΑΚ µε ή χωρίς υδατόλουτρο (Περιοχή 3) Σχήµα 6.47 Μεταβολή του συντελεστή τριβής τ/σ n (α), της ταχύτητας διάτµησης (β) και του ύψους του δοκιµίου (γ) µε τη µετατόπιση για σ n =120kPa για ταχύτητα διάτµησης 100mm/min για τη οκιµή 3-ΑΚ µε ή χωρίς υδατόλουτρο (Περιοχή 3) Σχήµα 6.48 Μεταβολή του συντελεστή τριβής τ/σ n (α) και του ύψους του δοκιµίου (β) µε τη µετατόπιση για σ n =480kPa για ταχύτητα διάτµησης 1mm/min για οκιµή 3-ΑΚ µε ή χωρίς υδατόλουτρο Σχήµα 6.49 Μεταβολή του συντελεστή τριβής τ/σ n (α), της ταχύτητας διάτµησης (β) και του ύψους του δοκιµίου (γ) µε τη µετατόπιση κατά τις φάσεις ταχείας διάτµησης για σ n =240kPa και σε ταχύτητα διάτµησης 400mm/min για τη οκιµή 9-ΣΚ-Γ Σχήµα 6.51 Μεταβολή του συντελεστή τριβής τ/σ n (α), της ταχύτητας διάτµησης (β) και του ύψους του δοκιµίου (γ) µε τη µετατόπιση κατά τις φάσεις ταχείας διάτµησης για σ n =240kPa και σε ταχύτητα διάτµησης 400mm/min για τη οκιµή 5-ΑΚ Σχήµα 6.52 Μεταβολή του συντελεστή τριβής τ/σ n (α), της ταχύτητας διάτµησης (β) και του ύψους του δοκιµίου (γ) µε τη µετατόπιση κατά τις φάσεις ταχείας διάτµησης για σ n =240 και 120kPa και σε ταχύτητα διάτµησης 400mm/min για τη οκιµή 6-ΑΚ Σχήµα 6.53 Μεταβολή του συντελεστή τριβής τ/σ n (α), της ταχύτητας διάτµησης (β) και του ύψους του δοκιµίου (γ) µε τη µετατόπιση κατά τις φάσεις ταχείας διάτµησης για σ n =240kPa και σε ταχύτητα διάτµησης 400mm/min για τη οκιµή 6-ΑΚ Σχήµα 6.54 Μεταβολή του συντελεστή τριβής στην ταχεία παραµένουσα και ταχεία µέγιστη αντοχή ως προς τη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, σε σχέση µε την επιτάχυνση µε την οποία διεξήχθη η ταχεία διάτµηση στην ονοµαστική ορθή τάση των 240kPa για το ΣΚ τύπο φλύσχη Σχήµα 6.55 Μεταβολή του συντελεστή τριβής στην ταχεία παραµένουσα και ταχεία µέγιστη αντοχή ως προς τη βραδεία παραµένουσα κατάσταση, σε σχέση µε την επιτάχυνση µε την οποία διεξήχθη η ταχεία διάτµηση στην ονοµαστική ορθή τάση των 240kPa για τον ΑΚ τύπο φλύσχη Σχήµα 6.56 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής της ταχείας παραµένουσας, της βραδείας µέγιστης µετά από ταχεία διάτµηση και της κρίσιµης αντοχής µε το

27 Κατάλογος Σχηµάτων XXIV συντελεστή τριβής της βραδείας παραµένουσας στην ονοµαστική ορθή τάση των 120kPa Σχήµα 6.57 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής της ταχείας παραµένουσας, της βραδείας µέγιστης µετά από ταχεία διάτµηση και της κρίσιµης αντοχής µε το συντελεστή τριβής της βραδείας παραµένουσας στην ονοµαστική ορθή τάση των 240kPa Σχήµα 6.58 Συσχέτιση του συντελεστή τριβής της ταχείας παραµένουσας, της βραδείας µέγιστης µετά από ταχεία διάτµηση και της κρίσιµης αντοχής µε το συντελεστή τριβής της βραδείας παραµένουσας στην ονοµαστική ορθή τάση των 480kPa...279

28 Κατάλογος Πινάκων XXV Κατάλογος Πινάκων Πίνακας 2.1 Αποτελέσµατα για την παραµένουσα αντοχή δειγµάτων φλύσχη του ελληνικού χώρου (Κalteziotis, 1993)...31 Πίνακας 2.2 Αποτελέσµατα για την παραµένουσα αντοχή δειγµάτων φλύσχη από τη θέση κατολίσθησης στην Εγνατία Οδό (Tsatsanifos & Pandis, 2005 και Τσατσανίφος & συνεργάτες, 2006)...32 Πίνακας 2.3 Αποτελέσµατα για την παραµένουσα αντοχή δειγµάτων φλύσχη από την περιοχή Cormons του Udine της Ιταλίας (Carrubba & Fabbro, 2008)...33 Πίνακας 2.4 Αποτελέσµατα για την παραµένουσα αντοχή δειγµάτων φλύσχη από την περιοχή Campagnia της Ιταλίας (Grelle & Guadagno, 2010)...34 Πίνακας 2.5 Αποτελέσµατα για την παραµένουσα αντοχή δειγµάτων φλύσχη από θέσεις κατολισθήσεων (Καβουνίδης, 2010)...35 Πίνακας 3.1 Πρώιµες συσκευές στρεπτικής διάτµησης (Bishop et al., 1971) 83 Πίνακας 3.2 Κύρια χαρακτηριστικά συσκευών περιστροφικής διάτµησης δακτυλίου του Πανεπιστηµίου του Κιότο (DPRI: Disaster Research Institute) Πίνακας 4.1 Φυσικές ιδιότητες κυανότεφρου (ΚΤ), ροδόχροου (Ρ), σκουρόχρωµου καφέ (ΣΚ) και ανοικτόχρωµου καστανού (ΑΚ) φλύσχη και κωδικοποίηση δοκιµών Πίνακας 4.2 Φάσεις διάτµησης οκιµής 1-ΚΤ-Α Πίνακας 4.3 Φάσεις διάτµησης οκιµής 2-ΚΤ-Α Πίνακας 4.4 Φάσεις διάτµησης οκιµής 3-ΚΤ-Α Πίνακας 4.5 Φάσεις διάτµησης οκιµής 4-ΚΤ-Β Πίνακας 4.6 Φάσεις διάτµησης οκιµής 1-Ρ-Α Πίνακας 4.7 Φάσεις διάτµησης οκιµής 2-Ρ-Β Πίνακας 4.8 Φάσεις διάτµησης οκιµής 3-Ρ-Β Πίνακας 4.9 Φάσεις διάτµησης οκιµής 4-Ρ-Β Πίνακας 4.10 Φάσεις διάτµησης οκιµής 5-Ρ-Γ Πίνακας 4.11 Φάσεις διάτµησης οκιµής 1-ΣΚ-Α Πίνακας 4.12 Φάσεις διάτµησης οκιµής 2-ΣΚ-Α Πίνακας 4.13 Φάσεις διάτµησης οκιµής 3-ΣΚ-Β Πίνακας 4.14 Φάσεις διάτµησης οκιµής 4-ΣΚ-Β Πίνακας 4.15 Φάσεις διάτµησης οκιµής 5-ΣΚ-Α Πίνακας 4.16 Φάσεις διάτµησης οκιµής 6-ΣΚ-Α...112

29 Κατάλογος Πινάκων XXVI Πίνακας 4.17 Φάσεις διάτµησης οκιµής 7-ΣΚ-Β Πίνακας 4.18 Φάσεις διάτµησης οκιµής 8-ΣΚ-Γ Πίνακας 4.19 Φάσεις διάτµησης οκιµής 9-ΣΚ-Γ Πίνακας 4.20 Φάσεις διάτµησης οκιµής 1-ΑΚ Πίνακας 4.21 Φάσεις διάτµησης οκιµής 2-ΑΚ Πίνακας 4.22 Φάσεις διάτµησης οκιµής 3-ΑΚ Πίνακας 4.23 Φάσεις διάτµησης οκιµής 4-ΑΚ Πίνακας 4.24 Φάσεις διάτµησης οκιµής 5-ΑΚ Πίνακας 4.25 Φάσεις διάτµησης οκιµής 6-ΑΚ Πίνακας 6.1 Παράµετροι βραδείας παραµένουσας αντοχής των µελετηθέντων εδαφών στη σ n...221

30 Κατάλογος Συµβόλων XXVII Κατάλογος Συµβόλων τ/σ n τ r /σ n (τ/σ n ) b (τ/σ n ) c (τ/σ n ) d (τ/σ n ) e (τ r /σ n) β Συντελεστής τριβής Συντελεστής τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση Συντελεστής τριβής στην ταχεία άµεση αντοχή Συντελεστής τριβής στην ταχεία µέγιστη αντοχή Συντελεστής τριβής στην ταχεία παραµένουσα αντοχή Συντελεστής τριβής στην βραδεία µέγιστη µετά από ταχεία διάτµηση Ελάχιστο κάτω όριο του συντελεστή τριβής στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση Α γ w Κ µ Μ Μ-Κ Μ-Ο Ν σ' n max σ n σ n τ τ cs Ενεργότητα Ειδικό βάρος νερού Σταθερά εξαρτώµενη από τη γεωµετρία των κόκκων(chattopadhyay, 1972, αναφορά από Mitchell, 2008) Συντελεστής τριβής µεταξύ του εδάφους και των περιοριστικών µεταλλικών δακτυλίων στη συσκευή διάτµησης δακτυλίου Μεταβατικός µηχανισµός διάτµησης Μεταβατικός µηχανισµός διάτµησης µε τάση προς το µηχανισµό κύλισης Μεταβατικός µηχανισµός διάτµησης µε τάση προς το µηχανισµό ολίσθησης Κανονικότητα διαλύµατος µε ιόντα Μέγιστη ενεργός τάση στερεοποίησης Ενεργός ορθή τάση Ολική ορθή τάση ιατµητική αντοχή Κρίσιµη διατµητική αντοχή του εδάφους

31 Κατάλογος Συµβόλων XXVIII τ i τ r φ φ cs φ r φ µ Χ.Θ. ιατµητική αντοχή στο σηµείο επαφής των κόκκων (Chattopadhyay, 1972, αναφορά από Mitchell, 2008) Παραµένουσα διατµητική αντοχή Ενεργός γωνία τριβής Ενεργός γωνία τριβής στην κρίσιµη κατάσταση Ενεργός γωνία τριβής στην παραµένουσα κατάσταση Γωνία τριβής µεταξύ των πλακοκειδών αργιλικών σωµατιδίων Χιλιοµετρική Θέση ac b c c c cs c r CF d dec e e g G sc G SG G sg N-C O-C Επιτάχυνση κατά την επιβολή ταχύτητας διάτµησης στο δοκίµιο ταχεία άµεση διατµητική αντοχή ανηγµένη ως προς τη βραδεία παραµένουσα διατµητική αντοχή στην ίδια ορθή τάση Ταχεία µέγιστη αντοχή Ενεργός συνοχή Ενεργός συνοχή στην κρίσιµη κατάσταση Ενεργός παραµένουσα συνοχή Ποσοστό αργιλικού κλάσµατος (%<2µm) Ταχεία παραµένουσα αντοχή Επιβράδυνση κατά την επιβολή ταχύτητας διάτµησης στο δοκίµιο Βραδεία µέγιστη αντοχή είκτης πόρων στερεού σκελετού Αδιάστατο ειδικό βάρος αργιλικών σωµατιδίων Αδιάστατο ειδικό βάρος κόκκων (µη αργιλικά σωµατίδια) Ειδικό αδιάστατο βάρος των στερεών σωµατιδίων Κανονικά στερεοποιηµένο έδαφος Υπερστερεοποιηµένο έδαφος

32 Κατάλογος Συµβόλων XXIX OCR PI t t ac t ac,n t cv t dec w WL WP Βαθµός υπερστερεοποίησης είκτης πλαστικότητας Χρόνος Χρόνος επιταχυνόµενης κίνησης Ονοµαστικός χρόνος επιταχυνόµενης κίνησης Χρόνος κίνησης µε σταθερή ταχύτητα Χρόνος επιβραδυνόµενης κίνησης Υγρασία του εδάφους Υγρασία στο όριο υδαρότητας Υγρασία στο όριο πλαστικότητας

33

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

35

36 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Αντικείµενο και σκοπός της διδακτορικής διατριβής Η παραµένουσα αντοχή του εδάφους έχει καθιερωθεί ως µια πολύ σηµαντική εδαφική παράµετρος στη Γεωτεχνική Μηχανική λόγω του γεγονότος ότι είναι ανεξάρτητη της αρχικής δοµής του εδάφους, της προιστορίας φόρτισής του, καθώς και άλλων παραµέτρων που επηρεάζουν τις από την προϊστορία φόρτισης εξαρτώµενες ιδιότητές του. Η γνώση της παραµένουσας αντοχής είναι απαραίτητη στη µελέτη πρακτικών προβληµάτων ευσταθείας σε εδάφη τα οποία έχουν υποστεί είτε διατµητικές παραµορφώσεις κατά το παρελθόν, όπως στις επανεργοποιούµενες κατολισθήσεις, είτε τεκτονικές µετακινήσεις, καθώς και στα εδάφη που παρουσιάζουν προοδευτική αστοχία, όπως τα υπερστερεοποιηµένα αργιλικά εδάφη. Συγκεκριµένα στην περίπτωση των ενεργών κατολισθήσεων, η επί µεγάλο χρονικό διάστηµα συνεχιζόµενη αργή µετατόπιση εδαφικών µαζών συνδέεται συχνά µε την ύπαρξη προϋπαρχουσών επιφανειών ολίσθησης κατά µήκος των οποίων η διατµητική αντοχή του εδάφους είναι κοντά στην παραµένουσα. Επιπλέον, η ταχύτητα µετατόπισης, όπως και η µετατόπιση κατολισθήσεων στα παραπάνω εδάφη εξαρτώνται σηµαντικά από την παραµένουσα αντοχή στη ζώνη ολίσθησής τους. Ενώ η συµπεριφορά προϋπαρχουσών ζωνών ολίσθησης στο έδαφος στις οποίες έχει ενεργοποιηθεί η παραµένουσα αντοχή του δεν εξαρτάται από τη µετατόπιση και την ταχύτητα διάτµησης κατά τη διάρκεια βραδείας διάτµησης, κατά την ταχεία διάτµηση η συµπεριφορά τους εξαρτάται σηµαντικά από τις δύο αυτές παραµέτρους. Στο πεδίο όµως κατα την ενεργοποίηση των κατολισθήσεων παρατηρούνται φάσεις επιταχυνόµενης κίνησης µακράς ή σύντοµης διάρκειας, όπως στην περίπτωση της ενεργοποίησης κατολισθήσεων λόγω εποχιακής διακύµανσης του υδροφόρου ορίζοντα εξ αιτίας βροχόπτωσης ή σεισµικής διέγερσης. Μέχρι σήµερα οι έρευνες για τη µελέτη της επίδρασης της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή του εδάφους αναφέρονται σχεδόν αποκλειστικά σε σταθερές στο χρόνο ταχύτητες, αν και η χρονικά µεταβαλλόµενη ταχύτητα διάτµηση (επιταχυνόµενη ή επιβραδυνόµενη κίνηση) αντιπροσωπεύει

37 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 4 ακριβέστερα την κινηµατική των κατολισθήσεων. Απαιτείται εποµένως γνώση της επίδρασης της επιτάχυνσης και ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή του εδάφους για την ανάλυση της κινηµατικής των κατολισθήσεων. Στη χώρα µας τα κατολισθητικά φαινόµενα και γενικά τα προβλήµατα αστάθειας των γεωϋλικών είναι έντονα και οι οικονοµικές συνέπειες σοβαρότατες. Ένας σηµαντικός αριθµός των κατολισθητικών φαινοµένων σχετίζονται µε την παρουσία σχηµατισµών τεκτονισµένου και αποσαθρωµένου φλύσχη σε συνδυασµό µε δυσµενείς υδρολογικές συνθήκες. Μεγάλος αριθµός ασταθειών φυσικών και τεχνητών πρανών στη υτική Ελλάδα και κατά µήκος του δυτικού τµήµατος της χάραξης της Εγνατίας οδού σχετίζεται µε την παρουσία του φλύσχη στις γεωτεκτονικές ζώνες Ιονίου και Πίνδου και την Πελαγονική ζώνη. Η δηµιουργία του φλύσχη είναι αποτέλεσµα εναλλασσόµενων κύκλων ιζηµατογένεσης και τεκτονικών διεργασιών. Συχνά τα επιφανειακά στρώµατα αποδοµούνται υπό την ενέργεια διαφόρων διαδικασιών αποσάθρωσης, όπως η διακύµανση της θερµοκρασίας και οι ατµοσφαιρικοί παράγοντες µε αποτέλεσµα τα στρώµατα αυτά να παρουσιάζουν ιδιότητες εδαφικών υλικών. Πολλά τεχνικά έργα µεγάλης κλίµακας όπως πρανή, σήραγγες, γέφυρες κ.α. έχουν κατασκευαστεί ή κατασκευάζονται σε περιοχές όπου ο κύριος γεωλογικός σχηµατισµός είναι αυτός του φλύσχη. Επιπλέον πολλά από τα έργα αυτά κατασκευάζονται σε θέσεις ενεργών κατολισθήσεων, σε κατάσταση οριακής ισορροπίας, οι οποίες µπορούν να επανεργοποιηθούν εξ αιτίας διαφόρων αιτίων, όπως είναι η βροχόπτωση, η αλλαγή των γεωµετρικών χαρακτηριστικών τους, η σεισµική διέγερση, κ.α.. Για τον ασφαλή εποµένως σχεδιασµό αυτών των έργων απαιτείται η γνώση της µηχανικής συµπεριφοράς του φλύσχη και ειδικότερα της παραµένουσας αντοχής του για τη µελέτη προβληµάτων ευστάθειας. Αντικείµενο εποµένως της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση της επίδρασης της επιτάχυνσης και της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή εδαφών, τα οποία συνδέονται µε κατολισθητικά φαινόµενα στην Ελλάδα, όπως εδαφικών σχηµατισµών φλύσχη µε σκοπό τα αποτελέσµατά της να συµβάλουν στην αξιόπιστη ανάλυση της κινηµατικής ενεργών κατολισθήσεων στους σχηµατισµούς αυτούς.

38 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Οργάνωση της διδακτορικής διατριβής Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελείται από οκτώ κεφάλαια και τέσσερα παραρτήµατα. Στο εύτερο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η βιβλιογραφική ανασκόπηση της παραµένουσας αντοχής του εδάφους και συγκεκριµένα της ενεργοποίησής της και των µηχανισµών διάτµησης του εδάφους στην παραµένουσα κατάσταση. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι έρευνες των τελευταίων τριάντα ετών για τη µελέτη της επίδρασης της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή του εδάφους, καθώς και οι προγενέστερες έρευνες για την παραµένουσα αντοχή εδαφικών σχηµατισµών φλύσχη. Στο Τρίτο Κεφάλαιο γίνεται αρχικά µια ανασκόπηση της δοκιµής διάτµησης δακτυλίου και στη συνέχεια λεπτοµερής περιγραφή της συσκευής διάτµησης δακτυλίου που χρησιµοποιήθηκε στην παρούσα έρευνα, της διαδικασίας εκτέλεσης των δοκιµών και ανάλυσης των αποτελεσµάτων, της δοκιµής άµεσης διάτµησης και των δοκιµών κατάταξης. Τέλος παρουσιάζεται η χρησιµοποιηθείσα µέθοδος για τη µελέτη της µικροδοµής της ζώνης διάτµησης των µελετηθέντων δειγµάτων. Στο Τέταρτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα εδάφη που µελετήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας έρευνας καθώς και το πρόγραµµα των εργαστηριακών δοκιµών. Στο Πέµπτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η ανάλυση των αποτελεσµάτων των δοκιµών άµεσης διάτµησης και διάτµησης δακτυλίου κατά τη βραδεία και ταχεία διάτµηση, καθώς και οι µηχανισµοί διάτµησης των µελετηθέντων εδαφών στη βραδεία παραµένουσα κατάσταση. Στο Έκτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η αξιολόγηση των αποτελεσµάτων των δοκιµών διάτµησης δακτυλίου και η επίδραση διαφόρων παραµέτρων στην παραµένουσα αντοχή των µελετηθέντων εδαφών κατά τη βραδεία και ταχεία διάτµηση. Στο Έβδοµο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συµπεράσµατα καθώς και η πρακτική εφαρµογή τους στη Γεωτεχνική Μηχανική. Στο τέλος της διατριβής επισυνάπτονται τέσσερα Παραρτήµατα. Συγκεκριµένα:

39 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 6 - στο Παράρτηµα Α παρουσιάζονται τα συστήµατα µετάδοσης κίνησης της συσκευής διάτµησης δακτυλίου, οι βαθµονοµήσεις και η ακρίβεια των συστηµάτων µέτρησης της συσκευής. - στο Παράρτηµα Β παρουσιάζονται αναλυτικά οι δοκιµές διάτµησης δακτυλίου - στο Παράρτηµα Γ παρουσιάζονται αναλυτικά οι δοκιµές άµεσης διάτµησης. - στο Παράρτηµα παρουσιάζεται η οπτική περιγραφή της µικροδοµής των δειγµάτων.

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ

41

42 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό αρχικά περιγράφεται η ενεργοποίηση της παραµένουσας αντοχής του εδάφους και των µηχανισµών διάτµησης στην παραµένουσα κατάσταση και στη συνέχεια παρατίθενται η βιβλιογραφική ανασκόπηση της επίδρασης της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή συνεκτικών εδαφών, καθώς και της παραµένουσας αντοχής του φλύσχη Ενεργοποίηση της παραµένουσας αντοχής και µηχανισµοί διάτµησης στην παραµένουσα κατάσταση Η µεταβολή της διατµητικής αντοχής του εδάφους µε τη µετατόπιση µετά τη µέγιστη τιµή της απασχόλησε τη γεωτεχνική µηχανική από τα πρώτα χρόνια ανάπτυξης της ως ξεχωριστός κλάδος της µηχανικής. Μια από τις πρώτες εργασίες που αναφέρεται στη µεταβολή αυτή είναι του Haefeli (1950). Ο συγκεκριµένος ερευνητής όρισε την παραµένουσα διατµητική αντοχή σε αργιλικά εδάφη και κυλιόµενες χιονοστοιβάδες ως την τριβή που παραµένει, όταν έχει τερµατιστεί η διάτµηση. Για την εκτίµηση αυτής της αντοχής πρότεινε τη χρήση µιας συσκευής διάτµησης δακτυλίου. Ως εργασία σταθµός για την έρευνα στην παραµένουσα διατµητική αντοχή θεωρείται η εργασία του Skempton (1964). O Skempton (1964) παρουσίασε αποτελέσµατα από δοκιµές άµεσης διάτµησης στα οποία παρουσιάζεται η ενεργοποίηση της διατµητικής αντοχής µετά τη µέγιστη τιµή της. Η παραµένουσα αντοχή ορίζεται ως η ελάχιστη αντοχή πέραν της οποίας δεν παρατηρείται περαιτέρω µείωσή της µε την αύξηση της διατµητικής παραµόρφωσης. Από την ανάλυση των αποτελεσµάτων της παραµένουσας αντοχής προέκυψε ότι η συνοχή στην παραµένουσα κατάσταση, c r, είναι µηδενική (c r=0). Έτσι, η διατµητική αντοχή στην παραµένουσα κατάσταση ορίζεται από την παρακάτω σχέση και παρουσιάζεται στο Σχήµα 2.1: τ =σ' tan φ ' (2.1) r n r όπου τ r είναι η παραµένουσα αντοχή, σ n είναι η ενεργός ορθή τάση στην επιφάνεια διάτµησης και φ r η γωνία τριβής στην παραµένουσα κατάσταση.

43 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 10 Σύµφωνα µε τον Skempton (1964) στις υπερστερεοποιηµένες άργιλους η πτώση της διατµητικής αντοχής από τη µέγιστη στην παραµένουσα τιµή της οφείλεται στην αύξηση της υγρασίας, καθώς και στον προσανατολισµό των πλακοειδών αργιλικών σωµατιδίων παράλληλα προς τη διεύθυνση διάτµησης. Η παραµένουσα αντοχή δεν εξαρτάται από την ιστορία φόρτισης του εδάφους. Επίσης, όσο µεγαλύτερο είναι το ποσοστό του αργιλικού κλάσµατος, τόσο χαµηλότερη είναι η τιµή της. Μάλιστα, στην περίπτωση της καθαρής αργίλου, η παραµένουσα διατµητική αντοχή δε διαφοροποιείται σηµαντικά από τη γωνία τριβής µεταξύ των πλακοκειδών αργιλικών σωµατιδίων, φ µ. Όταν σε µια καθαρή άργιλο ολοκληρωθεί ο προσανατολισµός των αργιλικών σωµατιδίων, η φ r δίνεται από την παρακάτω (Caquot, 1934): π tan φ ' r = * tanφ µ (2.2) 2 Στη γενική περίπτωση, η γωνία τριβής η φ r είναι µεγαλύτερη από τη φ µ, εξαιτίας της κύλισης των κόκκων στη ζώνη διάτµησης. Η κύλιση αυτή οδηγεί σε µεγαλύτερη τριβή και παρεµποδίζει τον πλήρη προσανατολισµό των αργιλικών σωµατιδίων στη ζώνη διάτµησης. Η εργασία του Skempton (1964) αποτέλεσε το έναυσµα για την έρευνα αναφορικά µε την παραµένουσα αντοχή που ακολούθησε στη συνέχεια και η οποία κατά χρονολογική σειρά συνοψίζεται ως ακολούθως: Ο Petley (1966) παρουσίασε αποτελέσµατα από δοκιµές άµεσης διάτµησης µε τη χρήση προδιατετµηµένης επιφάνειας ολίσθηση σε υπερστερεοποιηµένες αργίλους. Συµπέρανε ότι η παραµένουσα αντοχή ταυτίζεται µε τη διατµητική αντοχή που ενεργοποιείται σε κατολισθήσεις και προϋπάρχουσες ζώνες διάτµησης. Ο Kenney (1967) διερεύνησε την επίδραση της ορυκτολογικής σύστασης του εδάφους στην παραµένουσα αντοχή. Συµπέρανε ότι για τις καθαρές αργίλους η παραµένουσα αντοχή εξαρτάται από την ορυκτολογική σύσταση της αργίλου. Οι Morgenstern και Τchalenco (1967) πραγµατοποίησαν έρευνα µε µικροσκοπικές παρατηρήσεις στη δοµή δοκιµίων καολίνη που υποβάλλεται σε άµεση διάτµηση. Παρατήρησαν ότι µετά τη µέγιστη διατµητική αντοχή αναπτύσσονται ασυνέχειες µε µεγάλη γωνία κλίσης ως προς τη διεύθυνση της διάτµησης. Με την εξέλιξη της µετατόπισης, οι ασυνέχειες αυτές διατάσσονται

44 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 11 παράλληλα στη διεύθυνση διάτµησης. Ορισµένες ασυνέχειες εξακολουθούν να βρίσκονται σε γωνία ως προς τη διεύθυνση διάτµησης. Οι Ramiah et al. (1970) διεξήγαγε δοκιµές στη συσκευή άµεσης διάτµησης. Συµπέρανε ότι η παραµένουσα αντοχή είναι ανεξάρτητη από την ιστορία φόρτισης και την αρχική υγρασία. Μία από τις πρώτες εργασίες στην παραµένουσα αντοχή µε τη χρήση της συσκευής διάτµησης δακτυλίου είναι αυτή του La Gatta (1970). Σύµφωνα µε τον La Gatta (1970), ο λόγος της πτώσης της διατµητικής αντοχής από τη µέγιστη τιµή στην παραµένουσα κατάσταση οφείλεται στη θραύση των κόκκων και στον προσανατολισµό των αργιλικών σωµατιδίων στα κανονικά στερεοποιηµένα εδάφη, ενώ στα υπερστερεοποιηµένα εδάφη παρατηρείται επίσης και µία αύξηση του δείκτη πόρων κατά τη διάτµηση. Για την εκτίµηση της µεταβολής της παραµένουσας αντοχής µε τη µετατόπιση πρότεινε τη χρήση λογαριθµικής κλίµακας για τη µετατόπιση κατά το σχεδιασµό της πτώσης της παραµένουσας αντοχής. Ο λόγος είναι ότι ο ρυθµός αποµείωσης της διατµητικής αντοχής µε τη µετατόπιση µειώνεται µε αύξηση της µετατόπισης. Οι Townsend και Gilbert (1973) παρουσίασαν µια µελέτη στην οποία συγκρίνουν την παραµένουσα αντοχή που προσδιορίστηκε µε τη συσκευή άµεσης διάτµησης και τη συσκευή διάτµησης δακτυλίου. Στην περίπτωση των σκληρών ισχυρά υπερστερεοποιηµένων εδαφών, οι δύο µέθοδοι δεν έδειξαν διαφορά. Αντίθετα, υπήρξε διαφορά στην περίπτωση περισσότερο συµπιεστών δειγµάτων. Πάντως, η παραµένουσα αντοχή ήταν ανεξάρτητη της µεθόδου προετοιµασίας του δοκιµίου. Ο Kenney (1977) παρουσίασε συµπληρωµατική έρευνα για την συσχέτιση της παραµένουσας αντοχής µε την ορυκτολογική σύσταση των αργιλικών σωµατιδίων. Μελέτησε το διακριτό ρόλο των αργιλικών σωµατιδίων, του νερού και των κόκκων χαλαζία στην παραµένουσα αντοχή του εδάφους. Τα αργιλικά σωµατίδια και το νερό αποτελούν το συνεκτικό υλικό του µείγµατος, σε αντίθεση µε τους κόκκους χαλαζία. Για να εκτιµήσει την επίδραση του λόγου του συνεκτικού υλικού ως προς τους χαλαζιακούς κόκκους στην παραµένουσα αντοχή, όρισε το δείκτη όγκου του δοκιµίου, r vc, ως το λόγο µεταξύ του όγκου των αργιλικών σωµατιδίων και του νερού προς το συνολικό όγκο του δοκιµίου. Σε εδάφη όπου ο δείκτης r vc έχει τιµές

45 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 12 µεγαλύτερες από 40% έως 50%, η παραµένουσα αντοχή εξαρτάται από την ορυκτολογική σύσταση των των αργιλικών σωµατιδίων, ενώ για µικρότερες τιµές του δείκτη r vc η παραµένουσα αντοχή δεν εξαρτάται από την ορυκτολογική σύσταση του αργιλικού κλάσµατος. Σε αυτήν την περίπτωση η παραµένουσα αντοχή αυξάνεται, καθώς αυξάνει το ποσοστό των χαλαζιακών κόκκων. Οι Lupini et al. (1981) παρουσίασε µία διεξοδική έρευνα αναφορικά µε τους µηχανισµούς διάτµησης του εδάφους στην παραµένουσα κατάσταση. Παρουσίασαν αποτελέσµατα δοκιµών στη συσκευή διάτµησης δακτυλίου σε µείγµατα εδαφών. Τα µείγµατα ήταν µείγµα µεσόκοκοκκης έως λεπτόκοκκης άµου µε µαρµαρυγία, µείγµα αργίλου Λονδίνου (London clay) µε φυσική αργιλώδη άµµο (Happisburgh clay) και µείγµα χαλαζιακής ιλύος µε µπετονίτη. Οι δοκιµές έγιναν σε διάφορες αναλογίες των παραπάνω συστατικών των µειγµάτων. Οι Lupini et al. (1981) πρότειναν τρεις διαφορετικούς µηχανισµούς διάτµησης στη ζώνη διάτµησης όταν έχει ενεργοποιηθεί η παραµένουσα αντοχή. - Μηχανισµό κύλισης σε εδάφη µε υψηλό ποσοστό στρογγυλευµένων κόκκων και σε εδάφη µε πλακοειδή σωµατίδια όπου η µεταξύ τους τριβή είναι σηµαντική µε αποτέλεσµα να παρασύρονται σε µεταξύ τους κύλιση. Η γωνία τριβής είναι υψηλή (πάνω από 25 ) και δεν παρατηρείται προσανατολισµός των αργιλικών σωµατιδίων παράλληλα προς τη διεύθυνση διάτµησης. Η παραµένουσα αντοχή εξαρτάται από το σχήµα και το γωνιώδες των κυλιόµενων στερεών κόκκων και δεν καθορίζεται από τη µεταξύ τους γωνία τριβής. Η ζώνη διάτµησης που σχηµατίζεται διαφοροποιείται από το υπόλοιπο δείγµα εξαιτίας του διαφορετικού της πορώδους. - Μηχανισµό ολίσθησης σε εδάφη µε πλακοειδή, χαµηλής τριβής αργιλικά σωµατίδια. Η ζώνη διάτµησης εµφανίζεται ως από µία επιφάνεια όπου κατά µήκος της τα πλακοειδή αργιλικά σωµατίδια είναι ισχυρά προσανατολισµένα παράλληλα στη διεύθυνση της διάτµησης. Η παραµένουσα αντοχή έχει χαµηλή τιµή (κάτω από 25 ) και εξαρτάται από την ορυκτολογική σύσταση, τη χηµική σύσταση του νερού των πόρων και το φ µ. Η ζώνη διάτµησης, εφόσον σχηµατιστεί, δεν εξαρτάται από την ιστορία φόρτισης του εδάφους, δηλαδή το βαθµό υπερστερεοποίησης.

46 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 13 Στην περίπτωση που δηµιουργείται για πρώτη φορά επιφάνεια διάτµησης, ο µηχανισµός ολίσθησης ενεργοποιείται πλήρως όταν έχει ολοκληρωθεί ο προσανατολισµός των αργιλικών σωµατιδίων. - Μεταβατικό µηχανισµό σε εδάφη που δεν επικρατεί πλήρως ούτε ο µηχανισµός ολίσθησης, ούτε ο µηχανισµός κύλισης. Οι παραπάνω µηχανισµοί παρατηρούνται ταυτόχρονα σε διαφορετικά τµήµατα της ζώνης διάτµησης. Στα εδάφη αυτά η τιµή της παραµένουσας αντοχής είναι πολύ ευαίσθητη σε µικρές αλλαγές της κοκκοµετρικής διαβάθµισης τους. Για το ορισµό των περιοχών όπου εµφανίζονται οι διάφοροι µηχανισµοί διάτµησης οι Lupini et al. (1981) παρατήρησαν ότι η παραµένουσα αντοχή συσχετίζεται µε το δείκτη πόρων του στερεού σκελετού, e g. Ο δείκτης αυτός εκφράζει το λόγο του όγκου των πλακοειδών αργιλικών σωµατιδίων και του περιεχόµενου νερού προς τον όγκο των κυλιόµενων στερεών κόκκων και δίνεται από τον παρακάτω τύπο, Σχήµα 2.2: e g CF+ w * Gsc = G (100 CF) * G sc sg (2.3) όπου CF είναι το ποσοστό του αργιλικού κλάσµατος, w είναι η υγρασία του εδάφους, G sc είναι το αδιάστατο ειδικό βάρος των αργιλικών σωµατιδίων και G sg είναι το ειδικό αδιάστατο βάρος των στερεών κόκκων. Με βάση τις τιµές του e g και τις τιµές της παραµένουσας αντοχής, παρουσιάζονται από τους Lupini et al. (1981) στο Σχήµα 2.3 οι διάφορες περιοχές που εµφανίζεται ο κάθε µηχανισµός διάτµησης. Η µεταβολή στην τιµή της παραµένουσας αντοχής, ανάλογα µε το µηχανισµό διάτµησης που αναπτύσσεται, παρουσιάζεται στο Σχήµα 2.4. Η εργασία των Lupini et al. (1981) για τους µηχανισµούς διάτµησης αποτέλεσε τη βάση για την κατανόηση της συµπεριφοράς των ζωνών διάτµησης των εδαφών. Ο Skempton (1985) συνόψισε την εξέλιξη της έρευνας που ακολούθησε µετά την εργασία του το Στην εργασία αυτή έδωσε έµφαση στη διαφορά µεταξύ της κρίσιµης αντοχής και της παραµένουσας αντοχής των αργιλικών εδαφών. Στις υπερστερεοποιηµένες αργίλους, η κρίσιµη αντοχή ενεργοποιείται µετά το πρώτο στάδιο πτώσης της διατµητικής αντοχής από τη µέγιστη τιµή της και αποδίδεται στη διόγκωση και την αύξηση της υγρασίας της ζώνης διάτµησης. Η παραµένουσα αντοχή ενεργοποιείται µετά το δεύτερο

47 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 14 στάδιο πτώσης της διατµητικής αντοχής, όταν έχει ολοκληρωθεί ο προσανατολισµός των αργιλικών σωµατιδίων παράλληλα προς την διεύθυνση της διάτµησης, Σχήµα 2.5. Σε υπερστερεοποιηµένες αργίλους µε χαµηλό ποσοστό αργιλικού κλάσµατος (CF<20%), παρατηρείται µόνο το πρώτο στάδιο πτώσης της διατµητικής αντοχής µε την αύξηση της υγρασίας της ζώνης διάτµησης, Σχήµα 2.5α. Στην περίπτωση αυτή, η παραµένουσα αντοχή ταυτίζεται µε την κρίσιµη που ισούται µε τη µέγιστη διατµητική αντοχή ενός κανονικά στερεοποιηµένου δοκιµίου. Σε υπερστερεοποιηµένες αργίλους µε υψηλό ποσοστό αργιλικού κλάσµατος (CF>40%), µετά το πρώτο στάδιο πτώσης της διατµητικής αντοχής που συνοδεύεται από αύξηση της υγρασίας και διόγκωση της ζώνης διάτµησης, η διατµητική αντοχή συνεχίζει να αποµειώνεται µε την αύξηση της µετατόπισης Σχήµα 2.5β. Η πτώση αυτή οφείλεται στον προσανατολισµό των πλακοειδών αργιλικών σωµατιδίων παράλληλα προς τη διεύθυνση διάτµησης. Στην περίπτωση των κανονικά στερεοποιηµένων αργίλων, η πτώση της αντοχής οφείλεται αποκλειστικά στον προσανατολισµό των πλακοειδών αργιλικών σωµατιδίων και δεν παρατηρείται διόγκωση της ζώνης διάτµησης. Η µετατόπιση που απαιτείται για την ενεργοποίηση της παραµένουσας αντοχής κυµαίνονται από 100 έως 500mm. Γενικά, η πτώση της αντοχής σε τιµή της φ r+1 πραγµατοποείται σε µετατόπιση 50% έως 80% µικρότερη. Ο Skempton (1985) συµπέρανε ότι τα αποτελέσµατα των δοκιµών διάτµησης δακτυλίου είναι σε καλή συµφωνία µε τα αποτελέσµατα που προκύπτουν από ανάστροφες αναλύσεις. Η ακρίβεια των εργαστηριακών αποτελεσµάτων και αναλύσεων είναι της τάξης 1 έως Επίδραση της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή συνεκτικών εδαφών Μέχρι το 1980 περίπου, όλες οι έρευνες για την επίδραση της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή αναφέρονται στην περιοχή των χαµηλών σχετικά ταχυτήτων διάτµησης (εύρος από 1*10-6 έως και 14,6mm/min περίπου) µε σκοπό τη χρήση της υψηλότερης αποδεκτής ταχύτητας διάτµησης για τη µείωση της διάρκειας των δοκιµών για τον προσδιορισµό της παραµένουσας αντοχής. Για το λόγο αυτό το συµπέρασµα

48 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 15 των ερευνών αυτών είναι ότι η επίδραση της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή δεν είναι ιδιαίτερα σηµαντική (Petley, 1966, Kenney, 1967, De Beer, 1967, Ramiah et al., 1970, Garga, 1970, La Gatta, 1970 & 1971, Cullen & Donald, 1971, Gostelow, 1974 και Bucher, 1975). Η ύπαρξη σηµαντικής επίδρασης της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή παρατηρήθηκε πρώτα από τον Lupini (1981), ο οποίος διεξήγαγε δοκιµές ταχείας διάτµησης στη συσκευή διάτµησης δακτυλίου στην ταχύτητα των 177mm/min σε τρία αργιλικά εδάφη µε µηχανισµό ολίσθησης (άργιλος Fiji, καολίνης, άργιλος Λονδίνου) και µια αργιλώδη άµµο (Lower Cromer Till) µε µηχανισµό κύλισης. Η άργιλος Fiji ήταν ένα υπολειµµατικό έδαφος ηφαιστειακής προέλευσης µε αργιλικά σωµατίδια χαµηλού βαθµού κρυστάλλωσης καολινίτη. Τα αργιλικά εδάφη είχαν διαφορετική τιµή βραδείας παραµένουσας αντοχής που εξαρτάτο από τη φ µ. Κατά την ταχεία διάτµηση δύο από τα αργιλικά εδάφη (καολίνης, άργιλος Λονδίνου) παρουσίασαν αύξηση της παραµένουσας αντοχής σε επίπεδα κοντά στην κρίσιµη αντοχή τους. Η αύξηση αυτή αποδόθηκε στην επίδραση του ιξώδους. Το τρίτο αργιλικό έδαφος (άργιλος Fiji) παρουσίασε σηµαντική αποµείωση της παραµένουσας αντοχής του κατά την ταχεία διάτµηση. Ο Lupini (1981) θεώρησε ότι κατά την ταχεία διάτµηση σε ορισµένα από τα παραπάνω εδάφη (άργιλος Fiji) ο µηχανισµός ολίσθησης αλλάζει σε µηχανισµό κύλισης, καθώς διαταράσσεται ο προσανατολισµός των αργιλικών σωµατιδίων στη ζώνη διάτµησης. Οµοίως για την αργιλώδη άµµο (Lower Cromer Till), παρατηρήθηκε σηµαντική αποµείωση της παραµένουσας αντοχής κατά την ταχεία διάτµηση, η οποία αποδόθηκε στην αύξηση του e g και στη µείωση κατά συνέπεια της επαφής µεταξύ των στερεών κόκκων. Το συµπέρασµα αυτό όµως είναι υποθετικό, καθώς, αν και µπορεί να παρατηρηθεί η µεταβολή του όγκου της ζώνης διάτµησης του δοκιµίου κατά την ταχεία διάτµηση, δεν µπορεί να εκτιµηθεί η τιµή του e g. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον στην περιοχή των συνεκτικών εδαφών παρουσιάζει η εργασία του Martins (1983) που χρησιµοποίησε ταχύτητες διάτµησης 100mm/min σε αποσαθρωµένους µαλακούς βράχους (tuff) από τον Παναµά. Αναγνώρισε για πρώτη φορά τα παρακάτω χαρακτηριστικά της επίδρασης της ταχείας διάτµησης στη παραµένουσα αντοχή:

49 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 16 - Μια άµεση αύξηση της διατµητικής αντοχής για πρακτικά µηδενική µετατόπιση, όταν επιβάλλεται ταχεία διάτµηση. - Μια περαιτέρω αύξηση της διατµητικής αντοχής πιθανώς εξαιτίας της αλλαγής της δοµής της επιφάνειας διάτµησης. - Μια επίδραση της πίεσης των πόρων που προκαλεί µείωση της ενεργού ορθής τάσης και της διατµητικής αντοχής από µία µετατόπιση και µετά. - Μια αύξηση της αντοχής σε σχέση µε την παραµένουσα αντοχή, όταν το δοκίµιο υποβάλλεται σε βραδεία διάτµηση ξανά µετά την ταχεία διάτµηση. Η αύξηση αυτή είναι µεγαλύτερη, όσο αυξάνεται η ταχύτητα διάτµησης κατά την ταχεία διάτµηση. Σύµφωνα µε τον Martins (1983), η συµπεριφορά αυτή υποδηλώνει ότι πιθανώς υπάρχει µία κρίσιµη ταχύτητα διάτµησης, κάτω από την οποία η επιφάνεια διάτµησης δε διαταράσσεται κατά τη διάτµηση. Σηµαντικές εργασίες για τον προσδιορισµό της επίδρασης της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή αποτελούν οι εργασίες των Lemos et al. (1985), Lemos (1986) και Tika (1989). Σε αυτές τις έρευνες για την αξιολόγηση των αποτελεσµάτων έγινε χρήση των µηχανισµών διάτµησης, όπως αυτοί διατυπώθηκαν από τον Lupini et al. (1981). Οι δοκιµές έγιναν στη συσκευή διάτµησης δακτυλίου σε αναζυµωµένα εδαφικά δοκίµια µε χαµηλή αρχική υγρασία. Μετά τη στερεοποίηση στην επιθυµητή ορθή τάση στη συσκευή, ξεκινά η βραδεία διάτµηση, ώστε να ενεργοποιηθεί η παραµένουσα αντοχή υπό συνθήκες πλήρους στράγγισης. Στη συνέχεια εφαρµόζεται η ταχεία διάτµηση µε σταθερή ταχύτητα. Μετά την ταχεία διάτµηση, ακολουθεί παύση για την εκτόνωση της πίεσης του νερού των πόρων και στη συνέχεια επαναδιάτµηση µε βραδεία ταχύτητα. Από τα αποτελέσµατα των δοκιµών προσδιορίστηκαν πέντε χαρακτηριστικές αντοχές, Σχήµα 2.6: - η βραδεία παραµένουσα αντοχή, - η ταχεία άµεση αντοχή που ενεργοποιείται σε µηδενική µετατόπιση αµέσως µόλις επιβάλλεται η ταχεία διάτµηση, - η ταχεία µέγιστη αντοχή που ενεργοποιείται µετά την ταχεία άµεση κατά την εξέλιξη της ταχείας διάτµησης, - η ταχεία παραµένουσα αντοχή που είναι µία ελάχιστη σταθερή τιµή της διατµητικής αντίστασης που προκαλείται κατά την ταχεία διάτµηση και

50 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 17 - η βραδεία µέγιστη µετά την ταχεία διάτµηση που ενεργοποιείται σε µικρή µετατόπιση µετά την παύση της ταχείας διάτµησης και την επανάληψη της βραδείας διάτµησης Ενδιαφέρον παρουσιάζει ο προσδιορισµός των εδαφών που παρουσιάζουν ταχεία παραµένουσα αντοχή µικρότερη από τη βραδεία παραµένουσα. Η κατηγοριοποίηση που προτάθηκε από την Tika (1989) έχει ως ακολούθως, Σχήµα 2.7: - Η ταχεία παραµένουσα αντοχή εδαφών που έχουν χαµηλό ποσοστό αργιλικού κλάσµατος και εµφανίζουν µηχανισµό κύλισης δε µεταβάλλεται σηµαντικά µε την αύξηση της ταχύτητας διάτµησης και έχει τιµές παραπλήσιες της βραδείας παραµένουσας (Τύπος Ι). Τα εδάφη που ανήκουν σε αυτή την κατηγορία είναι άµµοι και αµµώδεις ιλείς µε PI µικρότερο από 9%, ποσοστό άµµου άνω του 20% και CF κάτω από 10%. - Στα εδάφη που εµφανίζουν µηχανισµό κύλισης ή µεταβατικό µηχανισµό, µε την αύξηση της ταχύτητας διάτµησης αρχικά η ταχεία παραµένουσα έχει τιµές κοντά στη βραδεία, ενώ από µία ταχύτητα διάτµησης και άνω παρουσιάζουν σηµαντική πτώση της παραµένουσας αντοχής (Τύπος ΙΙ). Τα εδάφη αυτά εµφανίζουν PI από 9% έως 21%. - Στα εδάφη µε µεταβατικό µηχανισµό διάτµησης προς κύλιση, µε την αύξηση της ταχύτητας η ταχεία παραµένουσα αντοχή στην αρχή µειώνεται ελαφρώς κάτω από τη βραδεία παραµένουσα, ενώ µε περαιτέρω αύξηση της ταχύτητας αυξάνει σε τιµές µεγαλύτερες από τη βραδεία. Εφόσον όµως η ταχύτητα και σε αυτή την περίπτωση ξεπεράσει µία κρίσιµη τιµή, παρατηρείται σηµαντική πτώση της παραµένουσας αντοχής. Τα εδάφη που εµφανίζουν αυτή τη συµπεριφορά έχουν PI από 24% έως 26%, (Τύπος ΙΙΙ). - Εδάφη στα οποία αρχικά εµφανίζεται µία µικρή πτώση της ταχείας παραµένουσας αντοχής, ενώ στη συνέχεια παρατηρείται αύξηση της τιµή της πάνω από τη βραδεία παραµένουσα αντοχή. Τα εδάφη αυτά είτε έχουν µηχανισµό κύλισης ή µεταβατικό µηχανισµό προς κύλιση και PI από 10% έως 21%, είτε µηχανισµό ολίσθησης και PI από 26%, έως 36% (Τύπος IV).

51 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 18 - Σε εδάφη µε PI άνω του 36% και CF µεγαλύτερο του 48% και µηχανισµό ολίσθησης, η ταχεία παραµένουσα αυξάνει σταθερά µε αυξανόµενη ταχύτητας διάτµησης (Τύπος V). Γενικά, η αύξηση της παραµένουσας αντοχής αποδίδεται σε αύξηση του ιξώδους των αργιλικών σωµατιδίων ή σε αναδιάταξη των ήδη προσανατολισµένων προς τη διεύθυνση της διάτµησης αργιλικών σωµατιδίων. Ωστόσο, η πτώση της ταχείας παραµένουσα αντοχής αποδίδεται σε αύξηση του πορώδους της ζώνης διάτµησης. Σύµφωνα µε τον Lupini et al. (1981), η βραδεία µέγιστη αντοχή κατά την επανέναρξη της βραδείας διάτµησης αποτελεί ένδειξη της διατάραξης της δοµής της ζώνης διάτµησης κατά την προηγηθείσα φάση ταχείας διάτµησης. Ο Lemos (1991) απλοποιώντας την παραπάνω κατηγοριοποίηση θεώρησε την επίδραση της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή ως ουδέτερη, θετική ή αρνητική, ανάλογα µε το αν η ταχεία παραµένουσα αντοχή είναι υψηλότερη, ίδια ή µικρότερη από τη βραδεία παραµένουσα αντοχή. Ουδέτερη συµπεριφορά εµφανίζεται για αργιλικό κλάσµα µικρότερο του 5%, θετική επίδραση για αργιλικό κλάσµα µεγαλύτερο του 50%, ενώ αρνητική επίδραση υπάρχει σε εδάφη µε αργιλικό κλάσµα µεταξύ 5% και 50%. Ο Lemos (1991) επίσης συµπέρανε ότι η πτώση της ταχείας παραµένουσας αντοχής οφείλεται σε αύξηση του πορώδους της ζώνης διάτµησης. Μάλιστα, η παρουσία νερού στο υδατόλουτρο κατά τη διεξαγωγή της δοκιµής ταχείας διάτµησης καθορίζει τη συµπεριφορά του δείγµατος. Ο Lemos (1991) στα εδαφικά δείγµατα που εµφανίζουν αρνητική συµπεριφορά δεν παρατήρησε πτώση της παραµένουσας αντοχής κάτω από τη βραδεία παραµένουσα όταν δεν υπήρχε νερό στο υδατόλουτρο. Eπακόλουθο των εργασιών αυτής της περιόδου, υπήρξε το γεγονός ότι αρκετές από τις µεταγενέστερες εργασίες είχαν ως αντικείµενο διερεύνησης την αιτία της πτώσης της ταχείας παραµένουσας αντοχής. Επίσης, σε µεταγενέστερες έρευνες εξετάστηκε σε ποιο βαθµό παρατηρείται αύξηση της πίεσης του νερού των πόρων στη ζώνη διάτµησης και αν αυτό αποτελεί την αιτία της πτώσης της ταχείας παραµένουσας αντοχής σε υψηλές ταχύτητες διάτµησης άνω των 400mm/min. Οι Yagi et. al (1991) παρουσίασε δοκιµές διάτµησης δακτυλίου, στις οποίες πραγµατοποιήθηκε µέτρηση της πίεσης του νερού των πόρων.

52 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 19 Αναφέρουν ένα ελάχιστο όριο ταχύτητας διάτµησης (0,35mm/min), πάνω από το οποίο δηµιουργείται πίεση του νερού των πόρων. Ο Yagi et. al (1991) επίσης συσχέτισαν τη µεταβολή της πίεσης των πόρων µε τη µετατόπιση. Παρατήρησε ότι στα πρώτα 80mm η πίεση παίρνει µία µέγιστη τιµή. Στο επόµενο διάστηµα των 80mm µειώνεται κατά 80% και µετά σταθεροποιείται σε µία τιµή της τάξης του 10% της µέγιστης. Οι Sassa et al. (1991) και Sassa (1992) παρουσίασαν αποτελέσµατα δοκιµών στις οποίες πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις της πίεσης του νερού των πόρων κατά τη διάρκεια ταχείας διάτµησης σε συσκευή διάτµησης δακτυλίου στην οποία υπήρχε δυνατότητα επιβολής τόσο ανακυκλιζόµενης ορθής τάσης, όσο και ανακυκλιζόµενης διατµητικής φόρτισης. Από τα αποτελέσµατα των δοκιµών προέκυψε ότι η ανάπτυξη της πίεσης των πόρων κατά τη διάρκεια της ταχείας διάτµησης δεν ήταν σηµαντική για τα συνεκτικά εδάφη και επίσης δε συνδέεται µε την πτώση της διατµητικής αντοχής σε επίπεδα κάτω από τη βραδεία παραµένουσα. Μία ενδιαφέρουσα έρευνα που αφορά προδιατετµηµένα δοκίµια παρουσιάστηκε από τον Steenfelt (1992). Ο Steenfelt (1992) παρουσίασε αποτελέσµατα δοκιµών σε µεγάλη συσκευή άµεσης διάτµησης σε αναζυµωµένα αργιλικά δοκίµια. Συµπέρανε ότι για ταχύτητες κάτω από 2mm/min η διατµητική αντοχή αυξάνει µε τη µείωση της ταχύτητας διάτµησης. Σε ταχύτητες διάτµησης µεγαλύτερες από 2mm/min συµβαίνει το αντίθετο, η διατµητική αντοχή αυξάνει µε την ταχύτητα διάτµησης. Η χαµηλότερη αντοχή εµφανίστηκε στην ταχύτητα των 2mm/min. Ο ίδιος ερευνητής συνέκρινε αποτελέσµατα από δοκιµές ελεγχόµενης τάσης και µετατόπισης. Οι δοκιµές είχαν συγκρίσιµα αποτελέσµατα όσον αφορά στη διατµητική αντοχή, µε τις δοκιµές ελεγχόµενης τάσης να εµφανίζουν χαµηλότερη διατµητική αντοχή στην ίδια ταχύτητα διάτµησης. Ο Parathiras (1994) παρουσίασε µία τροποποίηση της συσκευής διάτµησης δακτυλίου (τύπου Imperial College-Norwegian Geotechnical Institute, IC-NGI). Στη συσκευή αυτή τροποποιήθηκαν οι άνω και κάτω δακτύλιοι µε την τοποθέτηση µεταλλικών κυλιόµενων σφαιριδίων ανάµεσα τους. Κατά αυτό τον τρόπο, το διάκενο µεταξύ των δακτυλίων περιορίστηκε στα 20µm. Στόχος ήταν να περιοριστεί η απώλεια υλικού που παρατηρείται σε ταχύτητες µεγαλύτερες από 60mm/min. Η απώλεια υλικού σε αυτήν την

53 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 20 περίπτωση ήταν επτά φορές χαµηλότερη, ενώ η µεταβολή στη µετρούµενη διατµητική αντοχή εξαιτίας των παραπάνω τροποποιήσεων ήταν της τάξης του ±2%. Ο Parathiras (1994) επαναλαµβάνοντας τις δοκιµές προηγούµενων ερευνών (Lemos, 1985, Tika, 1989) κατέληξε σε παραπλήσια συµπεράσµατα, αναφορικά µε την επίδραση της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή. Συγκεκριµένα, θετική επίδραση της ταχύτητας διάτµησης παρατηρήθηκε σε εδάφη υψηλής πλαστικότητας µε PI>12%, WL>27% και CF>30%. Στα εδάφη αυτά η µέγιστη παραµένουσα αντοχή αυξάνεται από 150% έως 250%, σε σχέση µε τη βραδεία, έως την ταχύτητα των 200mm/min πέρα από την οποία δεν παρατηρείται περαιτέρω αύξηση. Η θετική αυτή επίδραση παρατηρείται µόνο όταν δεν υπάρχει νερό στο υδατόλουτρο. Στην περίπτωση που υπάρχει νερό, τότε συµβαίνει πτώση της ταχείας παραµένουσας αντοχής κατά 78% σε σχέση µε τη βραδεία παραµένουσα. Στις δοκιµές ταχείας διάτµησης χρησιµοποίησε επίσης άκαµπτο µεταλλικό δακτύλιο µε ηµιτονοειδή επιφάνεια επάνω στην οποία εκτελείται η διάτµηση του δοκιµίου. Η πτώση της αντοχής ήταν ανεξάρτητη της ορθής τάσης, καθώς και της ταχύτητας διάτµησης πέρα από την ταχύτητα από την οποία ξεκινούσε η πτώση της αντοχής. Η έρευνα του Parathiras (1994) στη συσκευή τύπου (IC-NGI), έδειξε ότι η απώλεια υλικού από το διάκενο δεν επηρεάζει τα συµπεράσµατα σχετικά µε την επίδραση της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή του εδάφους. Οι Sassa (1996) και Sassa et al. (1996) παρουσίασαν αποτελέσµατα δοκιµών διάτµησης δακτυλίου σε δοκίµια πυριτικής άµµου. Οι δοκιµές έδειξαν ότι σε αυτά τα κοκκώδη εδάφη κατά τη διάρκεια της ταχείας διάτµησης παρατηρείται θραύση των κόκκων µε αποτέλεσµα την ανάπτυξη υπερπίεσης του νερού των πόρων και πτώση της αντοχής. Παρόµοια αποτελέσµατα προέκυψαν από στις εργασίες των Sassa (2000) και Sassa (2002), Sassa et. al (2003). Οι Petley & Taylor (1999) παρουσίασαν αποτελέσµατα από δοκιµές διάτµησης δακτυλίου στη συσκευή τύπου (IC-NGI), στις οποίες η ταχεία διάτµηση διεξήχθη πάνω σε άκαµπτο µεταλλικό δακτύλιο µε κυµατοειδή (ή ηµιτονοειδή) επιφάνεια διάτµησης µε µέγιστο πλάτος 1mm και µήκος κύµατος επιφάνειας 100mm, Σχήµα 2.8. Το προφίλ αυτό επαναλαµβάνεται σε όλη την περιφέρεια του δακτυλίου. Κατά τη διάτµηση του δοκιµίου υπάρχει συµπίεση

54 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 21 του κάθετα στη ζώνη διάτµησης, καθώς µειώνεται το ύψος του λόγω της ύπαρξης της ανύψωσης. Χρησιµοποιώντας δοκίµια αναζυµωµένου καολίνη κατάφεραν στην ταχύτητα των 50mm/min και άνω να δηµιουργήσουν πίεση του νερού των πόρων, η οποία δεν εκτονώνεται κατά τη διάτµηση. Στην ταχύτητα των 300mm/min η πίεση των πόρων δηµιούργησε κατά τη διάτµηση συνθήκες ρευστοποίησης. Αυτό είχε ως αποτέλεσµα να εµφανίζει εξαιτίας της πίεσης των πόρων αρνητική συµπεριφορά της ταχύτητας για ταχύτητες άνω των 150mm/min. Η ανάπτυξη της πίεσης των πόρων ήταν εντονότερη σε χαµηλότερες ορθές τάσεις. Όταν η επιφάνεια του άκαµπτου µεταλλικού δακτυλίου ήταν επίπεδη, το δοκίµιο του καολίνη παρουσίαζε θετική επίδραση της ταχύτητας διάτµησης. Οι Petley & Taylor (1998) παρουσίασαν παράλληλα και ένα αριθµητικό µοντέλο πρόβλεψης της αναπτυσσόµενης πίεσης των πόρων που βασίζεται στη στερεοποίηση του δείγµατος καθώς υφίσταται διάτµηση στην επιφάνεια. Η µέτρηση της πίεσης των πόρων έγινε µε τη χρήση τοπικών αισθητήρων στην επιφάνεια διάτµησης. Η πτώση της παραµένουσας αντοχής δεν αποδίδεται γενικά στην αύξηση της πίεσης των πόρων. Η αύξηση αυτή της πίεσης του νερού των πόρων οφείλεται στη χρήση άκαµπτου µεταλλικού δακτυλίου µε κυµατοειδή επιφάνεια διάτµησης και στην ταχύτητα διάτµησης. Οι Yoshimine et al. (1999) παρουσίασαν αποτελέσµατα από δοκιµές ανακυκλιζόµενης φόρτισης µε προδιατετµηµένες ζώνες διάτµησης στη συσκευή διάτµησης δακτυλίου σε δεκαέξι διαφορετικά εδάφη κατολισθήσεων. Χρησιµοποίησαν αναζυµωµένα κανονικά στερεοποιηµένα δοκίµια, τα οποία υποβλήθηκαν σε διάτµηση στην ταχύτητα των 0,01mm/min έως ότου επιτευχθεί η βραδεία παραµένουσα κατάσταση. Στη συνέχεια υποβλήθηκαν σε ταχεία διάτµηση στην ταχύτητα των 300mm/min ώστε να διερευνηθεί η επίδραση της µονοτονικής ταχείας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή. Για τη µελέτη της επίδραση της ανακυκλιζόµενης φόρτισης επιβλήθηκαν τρεις διαφορετικούς τύπους ανακυκλιζόµενης διατµητικής φόρτισης µε ελεγχόµενη τάση, Σχήµα 2.9: - σταθερού πλάτους ηµιτονοειδής φόρτιση, Σχήµα 2.9α, - αυξανόµενου πλάτους ηµιτονοειδής φόρτιση, Σχήµα 2.9β και - φόρτιση που ακολουθεί τη χρονοϊστορία σεισµικής φόρτισης, Σχήµα 2.9γ.

55 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 22 Σε κάθε µία από τις φάσεις ανακυκλιζόµενης φόρτισης, η επιβαλλόµενη ανακυκλιζόµενη τάση ήταν κοντά στο 70% της βραδείας παραµένουσας αντοχής του δοκιµίου. Πριν από την κάθε φάση ανακυκλιζόµενης φόρτισης, το δοκίµιο υποβαλλόταν σε βραδεία διάτµηση στην ταχύτητα των 0,01mm/min, ώστε να ενεργοποιείται πάντα η βραδεία παραµένουσα αντοχή. Στη δοκιµή µονοτονικής ταχείας φόρτισης, τα περισσότερα εδάφη έδειξαν θετική επίδραση της ταχείας διάτµησης, ενώ τα δείγµατα µε CF από 20% έως 30% παρουσίασαν αρνητική επίδραση της ταχύτητας σε συµφωνία µε τα πορίσµατα των Lemos et al. (1985) και Tika (1989). Στις φάσεις που επιβλήθηκε ανακυκλιζόµενη ηµιτονοειδής φόρτιση σταθερού πλάτους, παρατηρήθηκε ότι µετά από µία άµεση αντοχή που ενεργοποιείται για µηδενική µετατόπιση, το δοκίµιο κατέγραψε σταθερή µετατόπιση σε κάθε κύκλο φόρτισης. εν παρατηρήθηκε αύξηση ή µείωση της διατµητικής αντοχής µε την πρόοδο των κυκλικών φορτίσεων. Στις φάσεις που η ανακυκλιζόµενη φόρτιση γινόταν µε αυξανόµενο µέγεθος σε κάθε κύκλο φόρτισης, καθώς και στη σεισµική φόρτιση, παρατηρήθηκε ότι η µετατόπιση που καταγράφονταν σε κάθε κύκλο φόρτισης ήταν ανάλογη της συνολικής τάσης φόρτισης. Οι Yoshimine et al. (1999) όρισαν τη δυναµική διατµητική σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση ως την αντοχή που εµφανίζεται στο σηµείο που η καµπύλη της τάσης µε τη µετατόπιση για κάθε κύκλο φόρτισης καταλήγει σε ευθεία παράλληλη µε τον άξονα των µετατοπίσεων. Η δυναµική αυτή αντοχή ήταν 30% έως 100% µεγαλύτερη από τη βραδεία παραµένουσα αντοχή. Για αύξηση της συχνότητας της ανακυκλιζόµενης φόρτισης από 0,1Hz σε 1Hz, τα περισσότερα εδάφη παρουσίασαν επίσης µία αύξηση της δυναµικής τους αντοχής από 5% έως 20%. Τα αποτελέσµατα για τη δυναµική αντοχή των Yoshimine et al. (1999) µπορούν να συγκριθούν µε αυτά που παρουσίασε ο Skempton (1985) για το εδαφικό δείγµα από την περιοχή του Kalabagh, το οποίο παρουσιάζει αρνητική επίδραση της ταχύτητας. Παρατηρείται ότι, η δυναµική αντοχή εµφανίζει τιµές κοντά στην ταχεία µέγιστη αντοχή σε µονοτονική φόρτιση από τη συσκευή (IC-NGI). Τα αποτελέσµατα της εργασίας των Yoshimine et al. (1999) είναι χρήσιµα στην προσπάθεια συσχέτισης των αποτελεσµάτων από δοκιµές µονοτονικής φόρτισης µε σεισµικές φορτίσεις κατολισθήσεων.

56 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 23 Οι Fearon et al. (2004) διεξήγαγαν δοκιµές ταχείας διάτµησης στη συσκευή διάτµησης δακτυλίου (IC-NGI) στην οποία η διάτµηση του δοκιµίου πραγµατοποιήθηκε πάνω σε άκαµπτο µεταλλικό δακτύλιο (interface), στον οποίο είχαν τοποθετηθεί αισθητήρες πίεσης. Η µεταβολή της πίεσης του νερού των πόρων έχει ως αποτέλεσµα τη µεγάλη αυξοµειώση στη µέση τιµή µε την οποία καταγράφονταν ως τότε η ορθή τάση. Γενικά, η πίεση του νερού των πόρων εκτονώνεται µετά από µετακίνηση 50mm. Στη συνέχεια η ορθή τάση παρουσιάζει σχετικά µεγάλη διακύµανση γύρω από την ονοµαστική της τιµή. Από τα διαγράµµατα µεταβολής της πίεσης των πόρων, συµπεραίνεται ότι λαµβάνει χώρα µία συνεχής αυξοµείωση της πίεσης του νερού των πόρων και όχι κάποια µόνιµη ύπαρξη πίεσης του νερών των πόρων στην οποία θα οφείλονταν η πτώση της παραµένουσας αντοχής. Η παραπάνω παρατήρηση δείχνει το δυναµικό τρόπο µε τον οποίο µεταβάλλεται η δοµή της ζώνης διάτµησης κατά τη διάρκεια της ταχείας διάτµησης, Σχήµα Οι Saito et al. (2006) χρησιµοποίησαν δείγµατα καθαρών άµµων, δείγµατα από µείγµατα άµµων µε ιλλίτη σε ποσοστά 10% και 20% και δείγµατα από µείγµατα άµµου µε µπετονίτη σε ποσοστά 10% και 20%. Οι δοκιµές διεξήχθησαν σε διαδοχικές φάσεις ταχείας και βραδείας διάτµησης. Οι φάσεις ταχείας διάτµησης έγιναν στις ταχύτητες 60mm/min, 60mm/min και 6.000mm/min. Χρησιµοποιήθηκε η συσκευή διάτµησης δακτυλίου του Πανεπιστηµίου του Κιότο (DRPI-6, Sassa, 2004) που έχει τη δυνατότητα µέτρησης της πίεσης του νερού των πόρων. Στο µείγµα άµµου µε 20% µπετονίτη στις ταχύτητες 60mm/min και 6.000mm/min δεν παρατηρήθηκε αύξηση της πίεσης του νερού των πόρων. Αντιθέτως, παρατηρήθηκε αρνητική πίεση του νερού των πόρων (υποπίεση) που συνοδεύτηκε από πτώση της παραµένουσας αντοχής στις παραπάνω ταχύτητες. Γενικό συµπέρασµα είναι ότι η πτώση της αντοχής δε συνοδεύεται από αύξηση της πίεσης του νερού των πόρων. Το µείγµα άµµου µε 20% µπετονίτη ήταν αυτό που κυρίως εµφάνισε πτώση της αντοχής µε την ταχύτητα διάτµησης. Οι δοκιµές έγιναν στην ορθή τάση των 100kPa. Οι Meehan et al. (2008) διεξήγαγαν δοκιµές ολίσθησης µε τη χρήση διάταξης κεκλιµένου επιπέδου. Σκοπός ήταν ο έλεγχος πρόβλεψης των σεισµικών µετακινήσεων, όπως αυτές προκύπτουν από το µοντέλο του Νewmark (1964). Χρησιµοποίησαν κεκλιµένα επίπεδα µε κλίση 10,5 και 12

57 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 24 και αναζυµωµένα αργιλικά δοκίµια. Το συµπέρασµα ήταν ότι οι µετακινήσεις που καταγράφηκαν µε την επιβολή σεισµικής επιτάχυνσης a=0,53-0,59g ήταν 1,7cm και 4,0cm αντίστοιχα στα δύο επίπεδα. Οι αντίστοιχες µετακινήσεις που προβλέπονταν από το µοντέλο Νewmark (1964) µε τη χρήση της παραµένουσας αντοχής ήταν 44,1mm και 195,1mm. Από τα αποτελέσµατα της εργασίας τους συµπεραίνεται ότι κατά τη διάρκεια του σεισµού η ενεργοποιούµενη διατµητική αντοχή στην επιφάνεια ολίσθησης είναι µεγαλύτερη από την βραδεία παραµένουσα αντοχή και οποιαδήποτε ανάλυση µε βάση τη βραδεία παραµένουσα αντοχή οδηγεί σε υπερεκτίµηση του µεγέθους της µόνιµης εδαφικής µετακίνησης λόγω σεισµού. Οι Suzuki et al. (2009) παρατήρησαν θετική επίδραση της ταχύτητας στην ταχεία παραµένουσα αντοχή για αύξηση της ταχύτητας διάτµησης από 0,02mm/min έως 10mm/min. Οι δοκιµές διεξήχθησαν στις συσκευές διάτµησης δακτυλίου του Πανεπιστηµίου του Κιότο. Οι Grelle και Guadagno (2010) διεξήγαγαν δοκιµές ταχείας διάτµησης σε τροποποιηµένη συσκευή Bromhead σε τέσσερα δείγµατα φυσικών εδαφών από την περιοχή Campaignia της Ιταλίας, δύο δείγµατα φλύσχη, ένα δείγµα αργίλου υψηλής πλαστικότητας και ένα δείγµα αργίλου µέσης πλαστικότητας. Οι δοκιµές, οι οποίες διεξήχθησαν στις ορθές τάσεις των 196kPa, 294kPa και 490kPa, ήταν ταχείας µονοτονικής και ανακυκλιζόµενης φόρτισης σταθερού πλάτους και µε συχνότητα 1,96Hz. Για κάθε έδαφος προσδιορίστηκε τόσο η βραδεία παραµένουσα, όσο και η κρίσιµη αντοχή. Στη συνέχεια σχεδιάστηκαν φάσεις ταχείας µονοτονικής και ανακυκλιζόµενης φόρτισης, τόσο όταν το δοκίµιο ήταν σε κρίσιµη κατάσταση, όσο και όταν το δοκίµιο ήταν στην παραµένουσα κατάσταση. Παρατηρήθηκε ότι από µία ταχύτητα και άνω, η ταχεία µέγιστη αντοχή που εµφανίζεται όταν το δοκίµιο είναι στην παραµένουσα κατάσταση είναι µεγαλύτερη από την αντίστοιχη στην ίδια ταχύτητα όταν το δοκίµιο βρίσκεται στην κρίσιµη κατάσταση. Οι Hong et al. (2011) διεξήγαγαν δοκιµές σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση σε συσκευή διάτµησης δακτυλίου ίδιου τύπου µε αυτήν του Πανεπιστηµίου του Κιότο. Στις δοκιµές που διεξήγαγαν χρησιµοποίησαν δοκίµια διαφορετικού βαθµού υπερστερεοποίησης. Ο σχηµατισµός της ζώνης διάτµησης έγινε µε διαφορετικές ταχύτητες διάτµησης, χωρίς να χρησιµοποιείται µία βραδεία ταχύτητα για να δηµιουργηθεί παραµένουσα κατάσταση στο δοκίµιο. Στη

58 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 25 συνέχεια επιβάλλονταν ανακυκλιζόµενη φόρτιση και µετά επαναδιάτµηση στην ταχύτητα διάτµησης που είχε χρησιµοποιηθεί πριν την ανακυκλιζόµενη φόρτιση. Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι στα δοκίµια µε µικρό βαθµό υπερστερεοποίησης (OCR<3), η διατµητική αντοχή µετά την ανακυκλιζόµενη φόρτιση ήταν µεγαλύτερη σε σχέση µε πριν. Αντίθετη εικόνα παρατηρήθηκε στα δείγµατα µε OCR>3,5. Είναι αµφίβολο όµως κατά πόσον στα δοκίµια ενεργοποιήθηκε η παραµένουσα αντοχή κατά τη βραδεία διάτµηση, εξ αιτίας των υψηλών ταχυτήτων διάτµησης που χρησιµοποιήθηκαν πριν από την επιβολή της ανακυκλιζόµενης φόρτισης. Ο Chen et al. (2013) διεξήγαγαν δοκιµές ταχείας διάτµησης σε συσκευές διάτµησης δακτυλίου, ίδιου τύπου µε αυτές του Πανεπιστηµίου του Κιότο. Οι δοκιµές έγιναν σε εδαφικά δείγµατα της περιοχής Kamenose µε ποσοστό αργίλου 73,2%. Στα δοκίµια ενεργοποιήθηκε η βραδεία παραµένουσα αντοχή. Παρατηρήθηκε πτώση της ταχείας παραµένουσας αντοχής σε υψηλές ταχύτητες διάτµησης. Σηµειώνεται ότι σε όλες τις παραπάνω έρευνες για την επίδραση της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή χρησιµοποιήθηκαν σταθερές ταχύτητες κατά τη διάρκεια της ταχείας διάτµησης, πλην των ερευνών των Yoshimine et al. (1999) και Grelle & Guadagno (2010) στις οποίες χρησιµοποιήθηκαν και ανακυκλιζόµενες φορτίσεις. Στο πεδίο όµως κατά την ενεργοποίηση των κατολισθήσεων παρουσιάζονται φάσεις επιταχυνόµενης κίνησης, η επιτάχυνση και διάρκεια των οποίων εξαρτάται από το είδος της φόρτισης ή του αιτίου της ενεργοποίησής τους Η παραµένουσα αντοχή φλύσχη Γενικά Ο φλύσχης είναι ο γεωλογικός σχηµατισµός που δεσπόζει κυρίως στη γεωτεχνική ζώνη της Πίνδου και κατά µήκος των ορίων της µε τη γειτονική Πελαγονική και Ιόνια ζώνη. Καταλαµβάνει γεωγραφικά τις δυτικές περιοχές της υτικής Μακεδονίας, Θεσσαλίας και τις ανατολικές περιοχές της Ηπείρου και τον κεντρικό κορµό της Στερεάς Ελλάδας και Πελοποννήσου. Η γεωτεχνική ζώνη της Πίνδου χαρακτηρίζεται από έντονη τεκτονική δραστηριότητα και ορεινό ανάγλυφο, ενώ η Πελαγονική γεωτεχνική ζώνη από

59 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 26 µικρή τεκτονική δραστηριότητα και ηµιορεινό-ορεινό ανάγλυφο.ίδιος τύπος φλύσχη συναντάται και στις παρυφές των Βόρειων Άλπεων. Μία αξιόλογη µελέτη για το φλύσχη παρουσιάστηκε από τους Caron et. al (1989), ενώ συστηµατική έρευνα είχε ξεκινήσει από τον Studer ήδη από το Ο φλύσχης έχει λιθολογική σύσταση ψαµµίτη ιλυόλιθου αργιλιοκού σχιστόλιθου-µάργας και εναλλάσσεται σε στρώσεις µικρού και µεγάλου πάχους µε τη συµµετοχή και άλλων ιζηµάτων. Χαρακτηριστικό στοιχείο του φλύσχη είναι ότι έχει προκύψει από τυρβιδικές µορφές ιζηµατογένεσης, µπροστά από το µέτωπο της ορογένεσης του ελληνικού µεταλπικού σχηµατισµού της Πίνδου κατά την ανάδυση του µέσα από τον ωκεανό της Τηθύος. Η διαδικασία έγινε µε απόθεση υλικού κατά την ανάδυση των ορέων στις ηπειρωτικές κατωφέρειες που αποτελούσαν τους µεταβατικούς χώρους από τις ηπείρους προς τον ωκεανό, ή καλύτερα τις προεκτάσεις των ηπείρων προς των ωκεανό, και είχαν απότοµες κλίσεις. Η απόθεση των ιζηµάτων γίνεται µε τυρβώδη ρεύµατα. Στον παραπάνω τρόπο ιζηµατογένεσης αποδίδεται και η αιτία των κατολισθητικών φαινοµένων που συνοδεύουν την παρουσία του φλύσχη. Παρόµοιας λιθολογικής σύστασης πετρώµατα µε αυτή του φλύσχη, όπως εκείνα της µολάσσας, που δηµιουργήθηκαν όµως πίσω από το µέτωπο της ορογένεσης (µε ιζήµατα θαλάσσια, λιµναία και ποταµοχειµάρια) δεν παρουσιάζουν κατολισθητικά φαινόµενα. Μία ενδελεχής παρουσίαση των συνθηκών και τρόπων ιζηµατογένεσης των µεταλπικών σχηµατισµών στον ελλαδικό χώρο παρουσιάζεται από τον Μουντράκη (2010). Από γεωτεχνική άποψη, ο φλύσχης χαρακτηρίζεται από (Marinos & Hoek, 2001): - Ετερογένεια και συγκεκριµένα ενναλλαγή ισχυρών (ψαµµίτης) και ασθενών (µάργες, ιλυόλιθοι και αργιλικοί σχιστόλιθοι) ως προς τη µηχανική συµπεριφορά τους στρώσεων - Παρουσία αργιλικών ορυκτών - Τεκτονική καταπόνηση και παρουσία προδιατετµηµένων ασυνεχειών, µε αποτέλεσµα από γεωτεχνικής άποψης να θεωρείται πολλές φορές εδαφικό υλικό - Μικρή διαπερατότητα λόγω της παρουσίας αργιλικών ορυκτών µε αποτέλεσµα η συµπεριφορά του να επηρεάζεται αρνητικά σε σηµαντικό

60 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 27 βαθµό, όταν δεν υπάρχει δυνατότητα ελεύθερης στράγγισης του υπόγειου νερού Γενικά, η παρουσία του φλύσχη συνδέεται µε κατολισθητικά φαινόµενα. Άλλωστε, η λέξη φλύσχης προέρχεται από την παλαιά γερµανική λέξη «fliessen» που σηµαίνει «ρέω» (Sinha και Upadhyay, 1993). Στην ελληνική επικράτεια περίπου το 80% των περιπτώσεων κατολισθήσεων έχει καταγραφεί στις γεωτεχνικές ζώνες της Πίνδου και στη πελαγονική γεωτεχνική ζώνη. Η µεγαλύτερη συχνότητα των κατολισθήσεων, σε ποσοστό 30% εµφανίζεται σε σχηµατισµούς φλύσχη, ενώ και στο σύνολο του Ελλαδικού χώρου στους σχηµατισµούς φλύσχη αποδίδεται το 35% των κατολισθήσεων (Koukis et al., 2005, Κούκης & Σαµπατακάκης, 2007). Τα προβλήµατα αστάθειας εµφανίζονται ως ολισθήσεις ή αποκολλήσεις σκληρών εδαφικών υλικών µε δοµή µαλακού βράχου επάνω σε ασυνέχειες και επιφάνειες διάτµησης σε διάφορα βάθη. Με αυτό τον τρόπο προκαλούνται εκτεταµένες αστοχίες και µακροχρόνιες µετακινήσεις µεγάλων εδαφικών µαζών. Πρανή σε οριακή κατάσταση έχουν αναφερθεί στα πλαίσια µεγάλων τεχνικών έργων, όπως στην περίπτωση του Ευήνου (Ντούνιας, 2006) της Εγνατίας οδού (Papatolios et al., 2004, Tsatsanifos & Pandis, 2005, Tσατσανίφος & συνεργάτες, 2006, Καβουνίδης & συνεργάτες, 2010) και έργων κατασκευής αυτοκινητοδρόµων. Στη συνέχεια ακολουθεί η βιβλιογραφική ανασκόπηση εργασιών που αναφέρονται στην παραµένουσα αντοχή σχηµατισµών φλύσχη Πργενέστερες έρευνες για την παραµένουσα αντοχή φλύσχη Ο Kalteziotis (1993) παρουσίασε αποτελέσµατα δοκιµών διάτµησης στη συσκευή Bromhead για την παραµένουσα αντοχή φλύσχη από τις περιοχές της Αράχωβας, Ελάτης, Άρτας και του φράγµατος του Αγ. ηµητρίου. Τα δείγµατα προήλθαν από διερχόµενο από το κόσκινο Νο 200 (75µm), Πίνακας 2.1. Οι δοκιµές έγιναν στην ορθή τάση των 50kPa έως 400kPa. Γενικά, τα µελετηθέντα δείγµατα παρουσίασαν χαµηλή παραµένουσα αντοχή παρά τις µικρές σχετικά τιµές αργιλικού κλάσµατος τους. Ο Kalteziotis (1993) θεώρησε σηµαντική την ορυκτολογική σύσταση των δειγµάτων ως καθοριστική παράµετρο της παραµένουσας αντοχής τους.

61 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 28 Οι Tsatsanifos & Pandis (2005) και Τσατσανίφος & συνεργάτες (2006) στα πλαίσια της διερεύνησης των αιτιών επαναδραστηριοποίησης µιας ενεργού κατολίσθησης στην περιοχή των δυτικών στοµίων της Σήραγγας Ανθοχωρίου στο Τµήµα 3.2 της Εγνατίας οδού, παρουσίασαν αποτελέσµατα δοκιµών διάτµησης δακτυλίου στη συσκευή Bromhead και σε δείγµατα από την επιφάνεια ολίσθησής της για τον προσδιορισµό της παραµένουσας γωνίας τριβής και τη σύγκρισή της µε την αντίστοιχη τιµή από τις ανάστροφες αναλύσεις ευστάθειας. Η ολισθαίνουσα εδαφική µάζα αποτελείτο από ιλυόλιθο υψηλού βαθµού αποσάθρωσης και υλικά ολισθήσεων υπό τη µορφή χαµηλής πλαστικότητας αργίλου µε άµµο, υλύος και χαλίκων κάτω από τα οποία υπήρχε µέτρια διατετµηµένος ιλυόλιθος. Το υπόβαθρο ήταν ελαφρώς διατετµηµένος ιλυόλιθος και διαρρηγµένος ψαµµίτης. Οι µετρήσεις των αποκλισιοµέτρων έδειξαν ότι η επιφάνεια ολίσθησης αναπτύχθηκε ανάµεσα στον υψηλού και µέτριου βαθµού αποσάθρωσης ιλυόλιθο σε βάθος από 20m έως 28m περίπου. Η ταχύτητα της κατολίσθησης κυµάνθηκε από 7,9*10-5 mm/min έως 6,3*10-4 mm/min. Οι φυσικές ιδιότητες των δειγµάτων και τα αποτελέσµατα των δοκιµών παρουσιάζονται στον Πίνακα 2.2. Η µέση τιµή φ r που προσδιορίστηκε από τις εργαστηριακές δοκιµές ήταν φ r,lab =15 µε µέσο ποσοστό περιεκτικότητας σε αργιλικό κλάσµα CF=14% και µέση τιµή του ορίου υδαρότητας WL=34,2%. Η τιµή της παραµένουσας γωνίας τριβής κατά µήκος της επιφάνειας ολίσθησης, που προέκυψε από τις ανάστροφες αναλύσεις, ήταν φ r,ba =17,5, που είναι πρακτικά ισοδύναµη σύµφωνα µε τη φ r,lab =15 σύµφωνα µε τους ανωτέρω ερευνητές. Οι Carrubba & Fabbro (2008) διεξήγαγαν δοκιµές διάτµησης δακτυλίου στη συσκευή Bromhead σε δύο τύπους φλύσχη που ελήφθησαν από τον αποσαθρωµένο µανδύα στις θέσεις Μontona Rosazzo της περιοχής Cormons της Βόρειας Ιταλίας, στις οποίες είχαν παρατηρηθεί δύο κατολισθήσεις στο παρελθόν. Τα φυσικά χαρακτηριστικά των µελετηθέντων εδαφών, παρουσιάζονται στον Πίνακα 2.3. Σκοπός της εργασίας τους ήταν να διερευνήσουν την πιθανή αύξηση της παραµένουσας αντοχής όταν υπήρχε διακοπή της διάτµησης για κάποιο χρονικό διάστηµα (γήρανση). Η επίδραση αυτή της γήρανσης διερευνήθηκε σε µία χαµηλή περιοχή των ορθών τάσεων, σ n=3-103kpa, όπου η βραδεία παραµένουσα αντοχή είναι ευαίσθητη στη µεταβολή της ορθής τάσης και παρουσιάζει γενικά υψηλές τιµές. Στην εργασία

62 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 29 τους χρησιµοποίησαν δοκίµια από το διερχόµενο από το κόσκινο Νο40(<425µm) υλικό, καθώς και από το διερχόµενο από το κόσκινο Νο200(<75µm) υλικό. Οι διαφορές στην παραµένουσα γωνία τριβής ήταν από 2,5 έως 6. Οι Grelle & Guadagno (2010) παρουσίασαν αποτελέσµατα δοκιµών διάτµησης δακτυλίου στη συσκευή Bromhead σε δύο τύπους φλύσχη από την περιοχή Campagnia της Ιταλίας. Τα φυσικά χαρακτηριστικά των µελετηθέντων εδαφών παρουσιάζονται στον Πίνακα 2.3. Σκοπός της εργασίας τους ήταν η διερεύνηση της δοµής της ζώνης διάτµησης διάτµησης της στη συµπεριφορά της κατά την ταχεία διάτµηση, όπως αναφέρθηκε στο εδάφιο 2.3. Τα αποτελέσµατα των δοκιµών τους για τη βραδεία παραµένουσα αντοχή των δύο δειγµάτων φλύσχη παρουσιάζονται στον Πίνακα 2.3. Επίσης από τον ελληνικό χώρο χρησιµοποιήθηκαν εργαστηριακά αποτελέσµατα κατολισθήσεων που παρουσιάστηκαν από τον Καβουνίδη (2010). Αφορούν την κατολίσθηση στη θέση Ραψοµάτη στον αυτοκινητόδροµο Τρίπολης Καλαµάτας στη ΧΘ έως Χ.Θ , καθώς και την κατολίσθηση στην Εγνατία οδό, περιοχή του ποταµού Μετσοβίτικο κοντά στον οικισµό Πρωτόπαπα. Τα εργαστηριακά αποτελέσµατα που παρουσιάζονται στον Πίνακα 2.5 προήλθαν για την περιοχή της Εγνατίας από µελέτες της Έδαφος Ε.Π.Ε. ( ) και για την περιοχή του Ραψοµάτη από µελέτες της Βράχος Α.Ε Επίσης, αντίστοιχες µελέτες για πρανή οριακής ισορροπίας έχουν παρουσιαστεί από τον Καβουνίδη (2010). Συγκεκριµένα, µελετήθηκαν κατολισθήσεις σε τµήµα της Εγνατίας οδού (Βόρειο πρανές Μετσοβίτικου ποταµού) και στην περιοχή Ραψοµάτη (οδικός άξονας Τρίπολης Καλαµάτας)

63 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 30.

64 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 31 Πίνακας 2.1 Αποτελέσµατα για την παραµένουσα αντοχή δειγµάτων φλύσχη του ελληνικού χώρου (Κalteziotis, 1993) Περιοχή είγµα CaCO 3 Χαλαζίας Άργιλος %<2µm 2 WL3 PI A 2 σ n tanφ r c r 4 φ r (%) (%) (%) (%) (%) (kpa) kpa ( ) Αράχωβα F (30) ,5 (0,50) 0,46 24,7 Αράχωβα F (30) ,67 (0,27) 0,431 23,3 Ελάτη F (24) ,70 (0,71) 0,313 17, Άρτα F (35) ,25 (0,26) 0,642 =0 32,7 Φράγµα Αγ. Σηµειώσεις Χρησιµοποιήθηκε υλικό µε µέγιστο κόκκο <75µm F (47) ,70 (1,10) 0,191 10,8 ηµητρίου 1 15% µοντµοριλλονίτης 2 Οι αριθµοί στην παρένθεση δείχνουν το αργιλικό κλάσµα και την ενεργότητα του διερχόµενου από το κόσκινο Νο200 (75µm) υλικού 3 Το όριο υδαρότητας προσδιορίστηκε στη συσκευή Casagrande. 4 Σύµφωνα µε τον Kalteziotis (1993), c r=0-8kpa για τα δείγµατα F1-F3 και F5, c r=0 για το δείγµα F4. Ορυκτολογική σύσταση δειγµάτων (F1-F5) 5 Μη- αργιλικά ορυκτά Χαλαζίας 20-60% Πλαγιόκλαστο 10-25% Ασβεστίτης <7% Μίκα 4-12% Αργιλικά ορυκτά Χλωρίτης 5-20% Ιλλίτης 8-22% Μοντµοριλλονίτης <15% 5 Τα δείγµατα F1 και F2 περιέχουν το υψηλότερο ποσοστό αργιλικών ορυκτών (40-42%), ενώ το δείγµα F3 µε ποσοστό αργιλικών ορυκτών 35% περιέχει 15% µοντµοριλλονίτη.

65 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 32 Πίνακας 2.2 Αποτελέσµατα για την παραµένουσα αντοχή δειγµάτων φλύσχη από τη θέση κατολίσθησης στην Εγνατία Οδό (Tsatsanifos & Pandis, 2005 και Τσατσανίφος & συνεργάτες, 2006) Περιοχή Γεώτρηση Βάθος (m) %<2µm 2 WL PI σ n tanφ r φ r A (%) (%) (kpa) (kpa) ( ) Σηµειώσεις Γ1 14, , , ,277 15,5 Γ2 18,4-18,7 24, ,79 0,211 11,9 22,0-22,4 13, ,38 0,202 11,4 17,6-18,4 16, ,125 0,220 12,4 Γ13 Ταχύτητα διάτµησης Εγνατία 20,4-21,1 6, ,17 0,400 21,8 0,024mm/min. οδός 17,5-18,5 12, ,23 0,340 18,8 Μέγιστη διάµετρος Γ14 20,6-21,3 16, ,99 0,274 15,3 κόκκων <75µm 23,0-24,0 17, ,92 0,218 12,3 Γ15 13,6-14,6 5, ,60 0,264 14,8 Γ18 15,0-16,3 4, ,40 0,268 15,0

66 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 33 Πίνακας 2.3 Αποτελέσµατα για την παραµένουσα αντοχή δειγµάτων φλύσχη από την περιοχή Cormons του Udine της Ιταλίας (Carrubba & Fabbro, 2008) Περιοχή Cormons είγµα CaCO 3 Χαλαζίας Άργιλος tanφ r %<2µm WL PI σ n c r φ r A (%) (%) (%) (%) (%) (kpa) (kpa) ( ) Montona (%<425µm) 5-10 > , ,499 0,499 0, ,5 Montona (%<75µm) <5 > ,464 0,419 0, ,5 Rosazzo (%<425µm) , ,486 0,476 0, Rosazzo (%<75µm) ,414 0,414 0, ,5 Σηµειώσεις Ταχύτητα διάτµησης 0,09mm/min Ορυκτολογική σύσταση µελετηθέντων δειγµάτων Montona Rosazzo Μη- αργιλικά ορυκτά Xαλαζίας >50% >50% Άστριοι (Αλβίτης) 10-15% 10-15% Ασβεστίτης 5-10% 5% Moσχοβίτης 5-10% 5-10% Αργιλικά ορυκτά Ιλλίτης, χλωρίτης ~5% ~5% Μοντµοριλλονίτης Απών ~5% Οργανικά 1,21% 0,87%

67 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 34 Πίνακας 2.4 Αποτελέσµατα για την παραµένουσα αντοχή δειγµάτων φλύσχη από την περιοχή Campagnia της Ιταλίας (Grelle & Guadagno, 2010) Περιοχή Campagnia Α/Α είγµατος Ερυθρός Φλύσχης (02) Ερυθρός Φλύσχης (03) CaCO 3 (%) Χαλαζίας (%) Άργιλος (%) %<2µm WL (%) PI (%) A σ n tanφ r (kpa) c r (kpa) , ,181 0,171 0,163 5,8 8, , ,135 0,134 0,134 0,4 7,6 φ r ( ) Σηµειώσεις Ταχύτητα διάτµησης 0,0035mm/min, Μέγιστη διάµετρος κόκκων <75µm Ορυκτολογική σύσταση µελετηθέντων δειγµάτων Μη- αργιλικά ορυκτά Xαλαζίας Άστριοι 2 2 Ασβεστίτης 1 ολοµίτης Αργιλικά ορυκτά Χλωρίτης Καολινίτης Ιλλίτης / Σµεκτίτης 40 43

68 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 35 Πίνακας 2.5 Αποτελέσµατα για την παραµένουσα αντοχή δειγµάτων φλύσχη από θέσεις κατολισθήσεων (Καβουνίδης, 2010) Περιοχή Εγνατία Οδός (Τµήµα 2.4Β) Θέση Ραψοµάτη (Οδικός αξονας Τρίπολη - Καλαµάτα Χ.Θ έως Χ.Θ ) Γεώτρηση Α/Α WL PI c r φ r %<2µm A tanφ r είγµατος (%) (%) (kpa) ( ) Β ,66 0, ,4 Β Β ,6 34,8 2,49 0, ,4 Ν6-54,1 5-0, ,3 G ,9 22,6 2,26 0, ,3 B3( ) 44,2 25,7 0, B5( ) 45,2 23,7 0, Αναφορά Ε ΑΦΟΣ ΕΠΕ ΒΡΑΧΟΣ ΑΕ

69 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 36 Σχήµα 2.1 Παραµένουσα αντοχή σε υπερστερεοποιηµένες και κανονικά στερεοποιηµένες αργίλους (Skempton, 1964)

70 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 37 w: υγρασία του εδάφους CF: ποσοστό του αργιλικού κλάσµατος γ w : ειδικό βάρος νερού G SC : αδιάστατο ειδικό βάρος αργιλικών σωµατιδίων G SG : αδιάστατο ειδικό βάρος κόκκων (µη αργιλικά σωµατίδια) e g : δείκτης πόρων του στερεού σκελετού Σχήµα 2.2 Ορισµός δείκτη πόρων στερεού σκελετού (Lupini et al., 1981)

71 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 38 είκτης πόρων στερεού σκελετού, e g R: Μηχανισµός διάτµησης µε κύλιση. Τ 1 : Μηχανισµός διάτµησης µε κύλιση για πλακοειδή αργιλικά σωµατίδια µε υψηλή γωνία εσωτερικής τριβής φ µ > φ cv. Επίσης, για εδάφη περιέχονται µη πλακοειδή αργιλικά σωµατίδια, εάν αυτά δε ληφθούν υπόψην στον όγκο τους. S: Μηχανισµός ολίσθησης. S 1 : Μηχανισµός ολίσθησης που αφορά στερεά κοκκώδη σωµατίδια. Τ R : Μεταβατικός µηχανισµός διάτµησης. Περιλαµβάνει περιοχές της επιφάνειας διάτµησης που εµφανίζεται µηχανισµός κύλισης και περιοχές που εµφανίζεται µηχανισµός ολίσθησης. Σχήµα 2.3 Σχέση µηχανισµών διάτµησης και δείκτη πόρων στερεού σκελετού, eg (Lupini, 1981)

72 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 39 CF (%) Σχήµα 2.4 Συσχέτιση του µηχανισµού διάτµησης µε την τιµή της παραµένουσας γωνίας τριβής, φ r, του δείκτη πλαστικότητας, PI, και του ποσοστού αργιλικού κλάσµατος, CF, Lupini et al., 1981)

73 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 40 Προσανατολισµός αργιλικών σωµατιδίων Σχήµα 2.5 Ενεργοποίηση της παραµένουσας αντοχής σε συνθήκες πλήρους στράγγισης σε: (α) εδάφη µε χαµηλό ποσσοτό αργιλικού κλάσµατος (CF<20%) και (β) εδάφη µε υψηλό ποσοστό αργιλικού κλάσµατος (Skempton, 1985)

74 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 41 Σχήµα 2.6 Μεταβολές παραµένουσας αντοχής κατά την ταχεία διάτµηση (Tika, 1989)

75 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 42 Σχήµα 2.7 Τύποι µεταβολής της ταχείας παραµένουσας αντοχής µε την αύξηση της ταχύτητας διάτµησης (Tika, 1989)

76 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 43 Σχήµα 2.8 Προφίλ άκαµπτου δακτυλίου διάτµησης που χρησιµοποιήθηκε από τους Petley & Taylor (1998, 1999)

77 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 44 Σχήµα 2.9α Ανακυκλιζόµενη ηµιτονοειδής φόρτιση σταθερού πλάτους σε προδιατετµηµένα δοκίµια Kukuno clay (Yoshimine et. al, 1999)

78 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 45 Σχήµα 2.9β Ανακυκλιζόµενη ηµιτονοειδής φόρτιση αυξανόµενου πλάτους σε προδιατετµηµένα δοκίµια Galdian clay (Yoshimine et. al, 1999)

79 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 46 Σχήµα 2.9γ Σεισµική φόρτιση σε προδιατετµηµένα δείγµατα Κalabagh clay (Yoshimine et. al, 1999)

80 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση 47 Σχήµα 2.10 Μεταβολή της πίεσης του νερού των πόρων κατά την ταχεία διάτµηση σε δοκίµιο αργίλου του Λονδίνου στη σ n =176kPa και ταχύτητα 1.000mm/min (Fearon, 2004)

81

82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΟΚΙΜΕΣ & ΜΕΘΟ ΟΙ

83

84 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό αρχικά πραγµατοποιείται µία σύντοµη ανασκόπηση της συσκευής διάτµησης δακτυλίου. Στη συνέχεια ακολουθεί λεπτοµερής περιγραφή της συσκευής διάτµησης δακτυλίου του Εργαστηρίου Εδαφοµηχανικής και Θεµελιώσεων & Γεωτεχνικής Σεισµικής Μηχανικής (Ε.Ε.Θ.-ΓΣΜ), της διαδικασίας εκτέλεσης των δοκιµών, της ανάλυσης των αποτελεσµάτων, καθώς και άλλων συµπληρωµατικών εργαστηριακών δοκιµών, που πραγµατοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, όπως της δοκιµής άµεσης διάτµησης, των δοκιµών κατάταξης και των µεθόδων µελέτης της µικροδοµής των δοκιµίων Ανασκόπηση της συσκευής διάτµησης δακτυλίου - Ιστορική αναδροµή Αρχική περίοδος (ως 1970) Είναι γνωστό ότι η βραδεία ανάπτυξη της Εδαφοµηχανικής, συγκριτικά µε τους άλλους κλάδους της επιστήµης του Πολιτικού µηχανικού, οφείλεται κατά πρώτον στην πολυπλοκότητα της συµπεριφοράς του εδάφους και κατά δεύτερον στο γεγονός ότι οι επιπτώσεις των γεωτεχνικών αστοχιών είναι περισσότερο αποδεκτές από τις αντίστοιχες στον τοµέα των κατασκευών. Η ανάπτυξη της σύγχρονης Εδαφοµηχανικής που έλαβε χώρα τον τελευταίο αιώνα, οφείλεται στην κατανόηση της συµπεριφοράς του εδάφους, που αποκτήθηκε κυρίως από εργαστηριακές µελέτες. Στις µελέτες αυτές, η δοκιµή άµεσης διάτµησης αποτελεί την παλαιότερη και απλούστερη δοκιµή µέτρησης της διατµητικής αντοχής του εδάφους. Σύµφωνα µε τον Hvorslev(1939), οι βασικοί σκοποί της δοκιµής διάτµησης γενικά είναι ο προσδιορισµός: α) της µέγιστης διατµητικής αντοχής β) της διατµητικής αντίστασης των συνδετικών δεσµών µεταξύ των εδαφικών κόκκων (λόγω τσιµεντοποίησης), καθώς και του ερπυσµού πριν την αστοχία

85 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 52 γ) της προσωρινής ή µόνιµης αποµείωσης της διατµητικής αντοχής µετά την αστοχία, και δ) της σχέσης τάσης-παραµόρφωσης και µεταβολής του όγκου κατά την επιβολή των διατµητικών τάσεων. Οι στόχοι α, β και δ µπορούν να επιτευχθούν επίσης και µε δοκιµές στην τριαξονική συσκευή. Όµως, η επίτευξη του στόχου γ εξαρτάται κυρίως από τη δυνατότητα επιβολής µεγάλων µετατοπίσεων, οι οποίες συχνά απαιτούνται για την ενεργοποίηση της ελάχιστης διατµητικής αντοχής του εδάφους. Αυτός ο στόχος µπορεί να επιτευχθεί µόνο στη συσκευή στρεπτικής διάτµησης, αναφερόµενης και ως συσκευή διάτµησης δακτυλίου. Τα κύρια πλεονεκτήµατα των συσκευών στρεπτικής διάτµησης δακτυλίου έναντι των υπολοίπων δοκιµών αντοχής είναι ότι η διατοµή του δοκιµίου στο επίπεδο διάτµησης παραµένει σταθερή κατά τη διάρκεια της δοκιµής, καθώς και το γεγονός ότι το δοκίµιο υποβάλλεται σε διάτµηση για µία απεριόριστη θεωρητικά µετατόπιση. Το δεύτερο πλεονέκτηµα καθιστά τη συσκευή διάτµησης δακτυλίου ιδιαίτερα χρήσιµη για τον προσδιορισµό της παραµένουσας αντοχής του εδάφους. Βεβαίως, η συσκευή έχει όλα τα µειονεκτήµατα της συσκευής άµεσης διάτµησης, όπως η τοπική συγκέντρωση παραµορφώσεων και η αδυναµία προσδιορισµού της διεύθυνσης των κύριων τάσεων. Την αρχική περίοδο µέχρι το 1970 σχεδιάστηκαν διάφοροι τύποι της συσκευής στρεπτικής διάτµησης, όπως: α) συσκευή στρεπτικής διάτµησης συµπαγούς κυλινδρικού ή σχήµατος δίσκου δοκιµίου β) συσκευή στρεπτικής διάτµησης δακτυλίου εδάφους γ) συσκευή διάτµησης κοίλου κυλινδρικού δοκιµίου στην οποία τα τοιχώµατα του δοκιµίου λειτουργούν και ως πλάκες φόρτισης και το ακτινικά φορτιζόµενο κυλινδρικό δοκίµιο υποβάλλεται σε στρέψη Αναλυτική ανασκόπηση των πρώτων συσκευών στρεπτικής διάτµησης έχει πραγµατοποιηθεί από το Hvorslev (1939) και Bishop et al. (1971). Ο Πίνακας 3.1 συνοψίζει τις συσκευές αυτής της περιόδου. Η πρώτη και πιο απλή συσκευή χρησιµοποιήθηκε από την Αµερικανική Εταιρεία Πολιτικών Μηχανικών (A.S.C.E.) το 1917.

86 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 53 Παρόµοιες συσκευές σχεδιάστηκαν στη συνέχεια από τους Streck (1928), Franzius et al. (1929), Langer (1938), Tiedemann (1937) και Ghani (1966). Σε αυτές τις συσκευές η στρέψη του συµπαγούς κυλινδρικού δοκιµίου γίνεται µε την περιστροφή της άνω ή κάτω πλάκας φόρτισης. Κατά συνέπεια, η επιφάνεια αστοχίας του δοκιµίου βρίσκεται στη βάση επαφής του δοκιµίου µε την άνω ή κάτω πλάκα και όχι στο εσωτερικό του. Στις συσκευές του Tiedemann και του Ghani υπάρχει βελτίωση του τρόπου επιβολής της στρέψης, καθώς πλέον δεν περιστρέφεται όλη η πλάκα φόρτισης (κάτω και άνω αντίστοιχα), αλλά µόνο ένα τµήµα της πλάκας που αποτελεί ενιαίο δακτύλιο. Σύµφωνα µε τον Bishop et al. (1971), σε αυτές τις συσκευές παρατηρήθηκαν διαφορετικές κατακόρυφες µετατοπίσεις της πλάκας φόρτισης, µε αποτέλεσµα να υπάρχει αβεβαιότητα στη µέτρηση της διατµητικής αντοχής. Οι Langer (1938), Sembenelli & Ramirez (1969) και La Gatta (1970) χρησιµοποίησαν άνω και κάτω δακτυλίους για τον εγκιβωτισµό του δοκιµίου. Με τον τρόπο αυτό η επιφάνεια διάτµησης µετατοπίζεται από τη βάση επαφής του δοκιµίου µε την πλάκα φόρτισης στο µέσο περίπου του δοκιµίου. Πάντως, η χρήση των συµπαγών κυλινδρικών δοκιµίών συνεχίζει να παρουσιάζει το µειονέκτηµα της ανοµοιόµορφης κατανοµής των τάσεων κατά µήκος της ακτίνας του δοκιµίου. Η ανοµοιόµορφη κατανοµή των τάσεων µπορεί να µειωθεί µόνο στις συσκευές διάτµησης όπου το δοκίµιο έχει σχήµα δακτυλίου µε κατάλληλες διαστάσεις ώστε να υπάρχει µικρότερη ανοµοιοµορφία στο τµήµα της ακτίνας που καταλαµβάνει το πλάτος του δακτυλίου. Το πρόβληµα που συναντάται στα δακτυλιοειδή δοκίµια σχετίζεται και µε τις διατάξεις εγκιβωτισµού του που πρέπει να επιτρέπουν τη δηµιουργία διάκενου κατά τη στρέψη του στην περιοχή κοντά στην επιφάνεια αστοχίας του δοκιµίου. Έτσι, η κυριότερη τεχνική δυσκολία κατά την εκτέλεση των δοκιµών στη συσκευή δοκιµής δακτυλίου ήταν η διασφάλιση µικρού διάκενου ανάµεσα στα άνω και κάτω ζεύγη των δακτυλίων εγκιβωτισµού του δοκιµίου για τον περιορισµό της τριβής µεταξύ των δακτυλίων κατά τη στρεπτική διάτµηση και την ελαχιστοποίηση της διαρροής του εδάφους ανάµεσά τους. Η πρώτη συσκευή διάτµησης δακτυλίου εδάφους (κοίλο δοκίµιο) σχεδιάστηκε από τον Cassagrade σε συνεργασία µε το U.S. Corps of

87 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 54 Engineers, Boston (Hvorslev, 1939). Το κοίλο κυλινδρικό δοκίµιο περιοριζόµενο από άνω και κάτω πλάκες, φορτίζεται ακτινικά και υποβάλλεται σε στρεπτική διάτµηση, έτσι ώστε η αστοχία να πραγµατοποιείται περίπου στο µέσο του δοκιµίου. Μία από τις πρώτες συσκευές διάτµησης δακτυλίου είναι των Cooling και Smith (1935,1936). Το δακτυλιοειδές δοκίµιο είναι πλευρικά ελεύθερο καθώς δεν περιορίζεται από πλευρικούς δακτυλίους. Η φόρτιση και στρέψη επιβάλλονται στην άνω πλάκα φόρτισης. Επειδή το δοκίµιο είναι πλευρικά ελεύθερο δεν υπάρχει πρόβληµα µε την πλευρική τριβή. Παρόλα αυτά, δε µπορεί να επιβληθεί µεγάλη ορθή τάση και η µεταφορά της διατµητικής τάσης είναι προβληµατική. Η χρήση οµόκεντρων δακτυλίων εγκιβωτισµού του δοκιµίου αποτελεί κοινή σχεδιαστική πρακτική όλων των συσκευών στρεπτικής διάτµησης αυτής της περιόδου (Gruner και Haefeli (1934), Haefeli (1938), Tiedemann (1937), Hvorslev (1937,1939,1960), Hvorslev και Kaufman (1952), La Gatta(1970), Bishop et al. (1971). Στη συσκευή του Haefeli (1938) το επίπεδο του διαχωρισµού των δακτυλίων οριοθετεί την επιφάνεια διάτµησης κοντά στην κάτω πλάκα όπου τοποθετείται το δοκίµιο. Ο Bishop (1971) θεωρεί τη συσκευή του Hvorslev ως πρόδροµο της συσκευής που ο ίδιος σχεδίασε. Τα σηµαντικότερα πλεονεκτήµατα της συσκευής του Hvorslev σχετίζονται καταρχήν µε τις διαστάσεις του δοκιµίου, µε αποτέλεσµα να ελαχιστοποιείται η ανοµοιόµορφη κατανοµή των διατµητικών τάσεων κατά µήκος της ακτίνας του δακτυλίου, ενώ δεν υπάρχει σηµαντική ανάπτυξη τριβής στο δοκίµιο από τους δακτυλίους εγκιβωτισµού. Γενικότερα, η χρήση άνω και κάτω δακτυλίων εγκιβωτισµού έχει το πλεονέκτηµα σε αυτή τη συσκευή λόγω καλού σχεδιασµού να µη µεταφέρονται ορθές τάσεις στον δακτύλιο εγκιβωτισµού και ταυτόχρονα να µην είναι πολύ µεγάλο το διάκενο ώστε να υπάρχει µεγάλη απώλεια υλικού. Το ερευνητικό ενδιαφέρον για τη µετά την αστοχία συµπεριφορά του εδάφους και την παραµένουσα αντοχή ανανεώθηκε µετά το 1964 (Skempton, 1964). Περαιτέρω έρευνες του Casagrande στο Harvard κατά τα τέλη της δεκαετίας του 1960 οδήγησαν στην ανάπτυξη µίας σειράς συσκευών

88 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 55 στρεπτικής διάτµησης που χρησιµοποιούν τόσο κυλινδρικά όσο και δακτυλιοειδή δοκίµια (Sembenelli & Ramirez,1969, La Gatta,1970). Σε αυτές τις συσκευές το ύψος δοκιµίου είναι µεταβλητό από 0,1-2,5 cm. Η ύπαρξη δοκιµίου µικρού πάχους εξασφαλίζει την ανάπτυξη µικρής πλευρικής τριβής ανάµεσα στους δακτυλίους εγκιβωτισµού και το δοκίµιο. Ωστόσο, το πολύ µικρό πάχος δοκιµίου σε συνδυασµό µε τη µεγάλη διαρροή υλικού εξαιτίας της χρήσης άνω και κάτω δακτυλίων εγκιβωτισµού προκαλεί µεγάλη ανοµοιοµορφία στην κατανοµή των ορθών τάσεων. Οι συσκευές αυτές, παρά το βελτιωµένο σχεδιασµό τους δεν είχαν αξιόλογη διάδοση. Επίσης, τη δεκαετία του 1960 άρχισαν να σχεδιάζονται συσκευές στρεπτικής διάτµησης στον τοµέα της χηµικής µηχανικής για την µέτρηση της διατµητικής αντοχής ξηρών κονιών (Νοvosad, 1964, Carr και Walker, 1968, Scarlett και Todd, 1968). Ένα από τα πρώτα µοντέλα βασίζονταν στη συσκευή του Hvorslev και παρουσιάστηκε από τον Νοvosad (1964). Συνοψίζοντας, κατά την πρώτη αυτή περίοδο παρατηρείται περιορισµένη σχετικά χρήση της συσκευής στρεπτικής διάτµησης δακτυλίου εδάφους, που οφείλεται στην πολυπλοκότητα του σχεδιασµού και της λειτουργίας των συσκευών καθώς επίσης και στη µεγάλη διάρκεια των δοκιµών και στο υψηλό κόστος Ενδιάµεση περίοδος ( ) Από τα µέσα της δεκαετίας του 1970 υπήρξε πληθώρα ερευνών µε χρήση της συσκευής στρεπτικής διάτµησης δακτυλίου, καθώς είχε αναδειχθεί ως η πλέον κατάλληλη συσκευή για τη µέτρηση της παραµένουσας αντοχής τους εδάφους. Για την αντιµετώπιση των προβληµάτων στο σχεδιασµό και λειτουργία της συσκευής στρεπτικής διάτµησης που αναφέρθηκαν προηγουµένως, οι Bishop et al. (1971) παρουσίασαν µία νέα συσκευή διάτµησης δακτυλίου, η οποία σχεδιάστηκε από κοινού στο Imperial College (ΙC) και στο Norwegian Geotechnical Institute (NGI) και θα αναφέρεται στη συνέχεια ως συσκευή τύπου IC-NGI. Ο σχεδιασµός της συσκευής αυτής επίλυε τα προβλήµατα αναφορικά µε την ακριβή µέτρηση της ορθής τάσης, τη δηµιουργία επιφάνειας διάτµησης στο µέσο του πάχους του δοκιµίου καθώς

89 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 56 και την οµοιόµορφη κατανοµή της διατµητικής τάσης κατά µήκος της ακτίνας του δοκιµίου. Οι διαστάσεις του δακτυλίου ήταν: εξωτερική διάµετρος 15,246cm (6 in) και εσωτερική διάµετρος 10,164cm (4 in). Το ονοµαστικό ύψος του δοκιµίου ήταν 19,1cm (0,75 in). Σηµειώνεται ότι, η συσκευή αυτή αποτέλεσε σηµείο αναφοράς στις µετέπειτα έρευνες. Η συσκευή µπορούσε να ελέγχει και να µετρά την πλευρική τριβή ανάµεσα στο άνω ζεύγος δακτυλίων εγκιβωτισµού και του δοκιµίου µε τη συναρµογή ενός ειδικού ζευκτήρα στο άνω ζεύγος των δακτυλίων εγκιβωτισµού. Ο ζευκτήρας αυτός αναρτείτο µέσω ενός δυναµοδακτυλίου µε έναν ειδικό µηχανισµό που µπορούσε να ανεβοκατεβαίνει από ένα στερεό οριζόντιο βραχίονα στηριζόµενο σε δύο κατακόρυφους ράβδους. Το διάκενο µεταξύ των δακτυλίων ελέγχονταν και σταθεροποιούνταν σε συγκεκριµένη τιµή, εφόσον ο δυναµοδακτύλιος ήταν αρκετά άκαµπτος ώστε να µη µετακινείται λόγω της πλευρικής τριβής του δοκιµίου µε το άνω ζεύγος των δακτυλίων εγκιβωτισµού, εξαιτίας της τάσης του δοκιµίου να διαστέλλεται ή να καθιζάνει στη διάρκεια της δοκιµής. Συµπερασµατικά, η συσκευή επέβαλε ελεγχόµενη µετατόπιση και µπορούσε να µετρά αξιόπιστα την επιβαλλόµενη ορθή τάση. Η µεταβολή της ορθής τάσης κατά τη διάρκεια της δοκιµής ήταν πολύ µικρή και λαµβάνονταν υπόψη στην ανάλυση των αποτελεσµάτων. Την περίοδο αυτή επίσης, οι Mandl et al. (1977) παρουσίασαν µία συσκευή στην οποία το δοκίµιο είχε σχήµα δακτυλίου µε εξωτερική διάµετρο 45cm, εσωτερική διάµετρο 35cm και πάχος 4,5cm. Σκοπός ήταν η διερεύνηση της ανάπτυξης της επιφάνειας διάτµησης στο έδαφος. Στη συσκευή αυτή η ορθή τάση επιβάλλονταν µε πεπιεσµένο αέρα, ενώ η διάτµηση γινόταν και πάλι µε περιστροφή του κάτω ήµισυ της συσκευής. Τόσο η ορθή όσο και η διατµητική τάση µετρούνταν µε δυναµοδακτύλιους, ενώ το διάκενο ανάµεσα στο κάτω περιστρεφόµενο τµήµα και το άνω ακίνητο τµήµα της συσκευής καλύπτονταν µε ειδική διάταξη που απέτρεπε την έξοδο του υλικού. Ο Bromhead (1979) πρότεινε µία νέα συσκευή διάτµησης δακτυλίου, η οποία λόγω του µικρού κόστους και της απλότητας στη χρήση της αποτελεί ως σήµερα την πλέον διαδεδοµένη συσκευή διάτµησης δακτυλίου. Στη

90 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 57 συσκευή αυτή το δοκίµιο έχει µικρότερες διαστάσεις: εξωτερική και εσωτερική διάµετρος 100mm και 35mm αντίστοιχα και πάχος 5mm. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται µικρότερος χρόνος στερεοποίησης του δοκιµίου. Η ορθή τάση επιβάλλεται µε τη βοήθεια νεκρού φορτίου. Στράγγιση του δοκιµίου επιτυγχάνεται µε δύο πορώδεις δακτυλίους προσαρτηµένους στη βάση του κιβωτίου της συσκευής στο οποίο τοποθετείται το δοκίµιο και στην άνω πλάκα φόρτισης. Το δοκίµιο εγκιβωτίζεται ανάµεσα στους δύο οµόκεντρους δακτυλίους (εξωτερικό και εσωτερικό), προσαρτηµένους στη βάση του κιβωτίου της συσκευής που έχει βάθος 5mm, µε αποτέλεσµα την ανάπτυξη πλευρικής τριβής µεταξύ του δοκιµίου και των οµόκεντρων δακτυλίων. Κατά τη διάτµηση του δοκιµίου δηµιουργείται επιφάνεια διάτµησης κοντά στην άνω πλάκα φόρτισης του δοκιµίου. Στην πράξη, πολλές φορές υπάρχει διάτµηση µεταξύ του εδάφους και της άνω πλάκα φόρτισης και όχι στο εσωτερικό του εδαφικού δοκιµίου. Η αποτόνωση της πίεσης του ύδατος των πόρων γίνεται πολύ ταχύτερα λόγω της θέσης της επιφάνειας διάτµησης. Με τον τρόπο αυτό διευκολύνεται η επιβολή µεγάλης σχετικής ταχύτητας διάτµησης και η επίτευξη συνθηκών πλήρους στράγγισης. Τα κύρια µειονεκτήµατα της συσκευής είναι η ανάπτυξη πλευρικής τριβής µεταξύ του δοκιµίου και των δακτυλίων στην εσωτερική και εξωτερική περιφέρεια του δοκιµίου καθώς και η δυνατότητα εκτέλεσης δοκιµών µόνο σε λεπτόκοκκα εδάφη (κλάσµα µικρότερο των 425µm). Το µέγεθος της τριβής αυξάνεται µε την αύξηση της καθίζησης της άνω πλάκας φόρτισης, µε αποτέλεσµα την αύξηση επίσης της µετρούµενης παραµένουσας αντοχής του εδάφους. Ο Bromhead (1979) συσχέτισε τα αποτελέσµατα δοκιµών σε αργίλους (Gault, London Clay) µε τα αντίστοιχα δοκίµια στη συσκευή IC-NGI µε ικανοποιητικά αποτελέσµατα. Η συσκευή του Bromhead (1979) έχει χρησιµοποιηθεί σε πλήθος ερευνητικών εργασιών ως σήµερα, που αναφέρονται στην επόµενη περίοδο. Οι εργασίες αυτές βασίστηκαν σε δοκιµές που πραγµατοποιήθηκαν είτε στον αρχικό τύπο της συσκευής, όπως προτάθηκε από τον Bromhead (1979), είτε σε τροποποιηµένο τύπο της συσκευής αυτής.

91 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι Πρόσφατη περίοδος (1985 έως σήµερα) Οι Hungr & Morgenster (1984) παρουσίασαν µία νέα συσκευή στρεπτικής διάτµησης δακτυλίου για τη µελέτη της συµπεριφοράς κοκκωδών εδαφών σε µεγάλες ταχύτητες διάτµησης υιοθετώντας το σχεδιασµό της συσκευής του Hvorslev (1939), στην οποία η διάτµηση πραγµατοποιείται στο µέσον περίπου του δοκιµίου. Στη συσκευή των Hungr & Morgenster (1984) το εδαφικό δείγµα τοποθετούνταν σε ένα δακτυλιοειδές κιβώτιο, το οποίο αποτελούνταν από δύο τµήµατα (άνω και κάτω) και είχε διαστάσεις: εξωτερική διάµετρος 30cm, εσωτερική διάµετρος 22cm και ύψος δοκιµίου 2cm. Το κάτω τµήµα του κιβωτίου εδράζονταν πάνω σε µία περιστρεφόµενη βάση, µε τη βοήθεια ενός ηλεκτροκινητήρα, ενώ το άνω τµήµα του κιβωτίου παρέµεινε ακίνητο. Το άνω και κάτω τµήµα του κιβωτίου διαχωρίζονταν µε ένα διάκενο, το µέγεθος του οποίου ήταν πλήρως ελεγχόµενο. Η ορθή τάση επιβάλλονταν µε τη βοήθεια πεπιεσµένου αέρα, µέσω ενός εύκαµπτου ενισχυµένου ελαστικού σάκου, ο οποίος ήταν συγκολληµένος στο εσωτερικό τοίχωµα του άνω τµήµατος του κιβωτίου και την άνω πλευρά της πλάκας φόρτισης. Η ορθή τάση µετρούνταν µε τη βοήθεια µίας σχετικά δύσκαµπτης δυναµοκυψέλης. Ένας οριζόντιος διπλός βραχίονας προσαρµοσµένος στον κατακόρυφο άξονα της συσκευής χρησιµοποιούνταν για την ακινητοποίηση του άνω τµήµατος της συσκευής και τη µέτρηση της ροπής, µε τη βοήθεια αισθητήρων µεταβαλλόµενης ηλεκτρικής αντίστασης. Ο ελαστικός σάκος ήταν κατάλληλα ενισχυµένος, έτσι ώστε να επιτρέπει ταυτόχρονα και τη µετάδοση της διατµητικής δύναµης από την πλάκα φόρτισης στο άνω τµήµα του κιβωτίου, καθώς και τη διόγκωση ή συστολή κατά τη διάρκεια της µεταβολής του όγκου του δοκιµίου. Σηµαντικό στοιχείο της συσκευής αυτής είναι η δυνατότητα επιβολής ταχύτητας διάτµησης ως 98,2cm/s ( mm/min) Ο Savage (1982) παρουσίασε µία συσκευή διάτµησης δακτυλίου στην οποία, όπως και στη συσκευή Bromhead, το δοκίµιο τοποθετείται εντός δακτυλιοειδούς κιβωτίου και η διάτµηση του δοκιµίου µετά τη φόρτιση του λαµβάνει χώρα στη διεπιφάνεια του µε την άνω πλάκα φόρτισης. Την ίδια περίοδο διεξήχθησαν εργαστηριακές έρευνες µε τη χρήση της συσκευή του Bromhead, οι οποίες παρουσιάζονται αναλυτικά στη συνέχεια.

92 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 59 Για τον τρόπο προπαρασκευής του δοκιµίου έγιναν εργασίες από τους Anderson & Hammoud (1988) και Wykeham-Farrance Engineering (1988). Οι Anayi et al.(1989) χρησιµοποίησαν στη συσκευή του Bromhead λεπτές λεπίδες στην άνω πλάκα φόρτισης, οι οποίες εισέρχονται στο δοκίµιο. Με αυτό τον τρόπο η επιφάνεια διάτµησης µετατοπίζεται από τη διεπιφάνεια της άνω πλάκας φόρτισης και του δοκιµίου στο εσωτερικό του δοκιµίου. Η τροποποίηση αυτή επέτρεψε καλύτερη προσαρµογή της άνω πλάκας στο δοκίµιο. Ωστόσο, δηµιουργεί τριβές, οι οποίες οδηγούν στη µέτρηση µεγαλύτερης παραµένουσας αντοχής του άνω τµήµατος του δοκιµίου µε τους περιοριστικούς δακτυλίους. Οι Stark & Vettel (1992) µελέτησαν την επίδραση της πλευρικής τριβής καθώς και την επίδραση που έχει η διαδικασία εκτέλεσης της δοκιµής στη συσκευή Bromhead στην παραµένουσα αντοχή αργίλου (Pierre shole, WL=184%, PI=129%, %5µm=84%). Η παραµένουσα αντοχή του εδάφους µετρήθηκε µε τις εξής δοκιµές στη συσκευή Bromhead: α) δοκιµές µίας φάσης (single stage), β) δοκιµές στις οποίες το δοκίµιο υποβλήθηκε σε προδιάτµηση µε µία σχετικά µεγάλη ταχύτητα διάτµησης (πριν από τη φάση διάτµησης), υπό συνθήκες πλήρους στράγγισης για τη µείωση της απαιτούµενης οριζόντιας µετατόπισης για την ενεργοποίηση της παραµένουσας αντοχής, γ) δοκιµές πολλών φάσεων (multi stage) για τη µείωση του χρόνου εκτέλεσης της δοκιµής. Στις δοκιµές αυτές µετά την ενεργοποίηση της παραµένουσας αντοχής στο πρώτο επίπεδο της ορθής τάσης, η διάτµηση διακόπτεται και η ορθή τάση διπλασιάζεται. Μετά τη στερεοποίηση του δοκιµίου υπό τη νέα ορθή τάση, γίνεται επανεκκίνηση της διάτµησης του δοκιµίου. Η διαδικασία αυτή επαναλαµβάνεται για διάφορα επίπεδα της ορθής τάσης και δ) δοκιµές στις οποίες η άνω πλάκα φόρτισης του δοκιµίου παραµένει πολύ κοντά ή στο ύψος του κιβωτίου του δοκιµίου (flush test). Για την επίτευξη τούτου απαιτείται η προσθήκη αναζυµωµένου εδάφους και η επαναστερεοποίηση του δοκιµίου για τη διάτµηση σε συνθήκες πλήρους στράγγισης.

93 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 60 Οι Stark & Vettel (1992) συµπέραναν ότι όταν η καθίζηση της άνω πλάκας φόρτισης είναι µεγαλύτερη από 0,75mm (15% του αρχικού ύψους του δοκιµίου), υπάρχει πρόβληµα αξιοπιστίας στη µέτρηση της παραµένουσας αντοχής. Τούτο οφείλεται στην αύξηση της πλευρικής τριβής, καθώς η άνω πλάκα φόρτισης καθιζάνει εντός του κιβωτίου της συσκευής κατά τη διάρκεια της στερεοποίησης και διάτµησης του δοκιµίου, µε αποτέλεσµα η παραµένουσα αντοχή να υπερεκτιµάται. Οι ίδιοι ερευνητές προτείνουν την τέταρτη (δ) από τις παραπάνω διαδικασίες εκτέλεσης της δοκιµής για τον περιορισµό της καθίζησης της άνω πλάκας φόρτισης (κάτω από 0,75mm) και τη µείωση της πλευρικής τριβής. Η µείωση της πλευρικής τριβής µε τη διαδικασία αυτή εκτέλεσης της δοκιµής για την παραπάνω άργιλο οδήγησε στη µέτρηση της µικρότερης παραµένουσας αντοχής και την πολύ καλή συµφωνία µε την αντίστοιχη τιµή που εξήχθη από ανάστροφες αναλύσεις ευστάθειας πρανών. Οι Stark και Eid (1994) πρότειναν τροποποίηση της συσκευής Bromhead και συγκεκριµένα του κιβωτίου του δοκιµίου. Στο τροποποιηµένο κιβώτιο, µετά τη στερεοποίηση στην επιθυµητή ορθή τάση αφαιρείται η άνω πλάκα φόρτισης και ο εσωτερικός και εξωτερικός δακτύλιος µετακινούνται µε ολίσθηση προς τα κάτω. Στη συνέχεια, το δοκίµιο αποκόπτεται οριζόντια, η διεπιφάνεια της άνω πλάκα φόρτισης και δοκιµίου συµπίπτει µε την ανώτερη επιφάνεια του εξωτερικού και εσωτερικού δακτυλίου. Η τροποποίηση αυτή επιτρέπει την εκτέλεση δοκιµών σε υπερστερεοποιηµένα δοκίµια και επίσης το σχηµατισµό µίας ζώνης διάτµησης του δοκιµίου λόγω της αποκοπής του δοκιµίου. Η διαδικασία αυτή µειώνει την καθίζηση της άνω πλάκας φόρτισης, καθώς και την οριζόντια µετατόπιση που απαιτείται για την ενεργοποίηση της παραµένουσας αντοχής. Με την τροποποίηση αυτή, οι παραπάνω ερευνητές ισχυρίζονται ότι είναι δυνατόν η εκτέλεση δοκιµών πολλών φάσεων (multi stage), όπως αναφέρθηκε παραπάνω, και κατά συνέπεια η µείωση του χρόνου εκτέλεσης της δοκιµής. O Sassa (1985) παρουσίασε την πρώτη (DRPI-1) από µία σειρά συσκευών που ακολούθησαν µετέπειτα. Ο κύριος σκοπός για το σχεδιασµό των συσκευών αυτών είναι η προσοµοίωση της συµπεριφοράς του εδάφους στη ζώνη ολίσθησης κατολισθήσεων και συγκεκριµένα η µετά την αστοχία

94 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 61 διατµητική αντοχή υπό αστράγγιστες συνθήκες, καθώς και η µέτρηση της πίεσης του ύδατος των πόρων. Η πρώτη συσκευή είχε κοινά σηµεία µε τη συσκευή των Hungr και Morgenster (1984): η ορθή τάση εφαρµόζεται διαµέσω ελαστικού σάκου µε πεπιεσµένο αέρα και η µέτρηση της πίεσης γίνεται µε δυναµοκυψέλη, που βρίσκεται κάτω από τη βάση περιστροφής του δοκιµίου. Η ροπή στρέψης εφαρµόζεται µε έναν οριζόντιο βραχίονα και µετράται µε µία δυναµοκυψέλη που είναι τοποθετηµένη στον κατακόρυφο άξονα του κιβώτιου διάτµησης. Η ταχύτητα διάτµησης µπορεί να φτάσει την τιµή των mm/min και εφαρµόζεται από έναν πνευµατικό κινητήρα. Η µεταβολή του όγκου του δοκιµίου καθορίζεται µε τη βοήθεια µίας πλάκας φόρτισης που βρίσκεται στο άνω µέρος της συσκευής. Στη θέση του διάκενου που δηµιουργούν ανάµεσα στους δακτύλιους εγκιβωτισµού τοποθετούνται ειδικοί ελαστικοί δακτύλιοι σιλικόνης που αποτρέπουν την απώλεια υλικού κατά τη διάτµηση και ελαχιστοποιούν τη µεταξύ των δακτυλίων τριβή. Οι διαστάσεις του δοκιµίου είναι: εξωτερική διάµετρος 31cm, εσωτερική 21cm και πάχος δοκιµίου 9cm. Είναι σηµαντικό να επισηµανθεί ο υψηλός λόγος ύψους δοκιµίου ως προς το πλάτος του δακτυλίου. Οι Sassa et al. (1991) παρουσίασαν την επόµενη συσκευή της σειράς αυτής. Η συσκευή αυτή βελτιώθηκε σε σχέση µε την προηγούµενη και κατέστη δυνατή η αξιόπιστη µέτρηση της πλευρικής τριβής της συσκευής. Η επιβολή της ορθής τάσης γίνεται µε έξι έµβολα και τη χρήση πεπιεσµένου αέρα. Το διάκενο µεταξύ του άνω και κάτω ζεύγους περιοριστικών δακτυλίων καθορίζεται µε τη χρήση σερβοκινητήρα στο πάχος των 0,001mm. Η περιστροφή του κάτω µέρους της συσκευής γίνεται µε σερβοκινητήρα, ενώ παρόµοιος κινητήρας επιβάλει και την ορθή τάση. Το διάκενο καλύπτεται από ελαστικό δακτύλιο (Ο ring), ο οποίος προσαρµόζεται στο άνω ζεύγος δακτυλίων εγκιβωτισµού και πιέζεται στο κάτω ζεύγος δακτυλίων εγκιβωτισµού, ώστε να αποτρέπεται η απώλεια υλικού. Οι εξωτερικοί δακτύλιοι αποτελούνται από ακρυλικό υλικό (plexiglass), µε δυνατότητα παρατήρησης του δοκιµίου κατά τη διάτµηση. Οι διαστάσεις του δοκιµίου είναι: 33cm και 21cm εξωτερική εσωτερική διάµετρος αντίστοιχα, ενώ το πάχος του δοκιµίου είναι 6cm.

95 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 62 Η µεγάλη καινοτοµία που παρουσιάζεται στην τρίτη συσκευή της σειράς (DPR-3) και παρουσιάστηκε από τον Sassa (1992) επιτρέπει την επιβολή ανακυκλιζόµενης δυναµικής στρεπτικής φόρτισης στο δοκίµιο σε συνθήκες ελεγχόµενης τάσης υπό αστράγγιστες συνθήκες. Η επιβολή της ορθής τάσης επιτυγχάνεται µέσω ηλεκτρικού πνευµατικού συστήµατος πεπιεσµένου αέρα. Η µετατόπιση του δοκιµίου µετράται µε έναν ειδικό µετρητή περιστροφών. Άλλη µία βελτίωση σχετίζεται µε το διάκενο µεταξύ των δακτυλίων εγκιβωτισµού, στο οποίο τοποθετούνται ελαστικοί δακτύλιοι (Ο ring) από τεφλόν πάχους 9mm που είναι προσαρτηµένοι, όπως και πριν, στον άνω δακτύλιο και συµπιέζονται στον κάτω δακτύλιο. Οι διαστάσεις του δοκιµίου είναι: 31cm και 21cm εξωτερική εσωτερική διάµετρος αντίστοιχα, ενώ το ύψος του δοκιµίου είναι 9cm. Πολύ σηµαντικό στοιχείο είναι ότι στη συσκευή υπάρχει η δυνατότητα µέτρησης της πίεσης των πόρων στην επιφάνεια διάτµησης κατά τη διάρκεια της δοκιµής, µε τρεις αισθητήρες που έχουν τη µορφή ακίδων. Το εύρος της ταχύτητας διάτµησης και τα χαρακτηριστικά της ανακυκλιζόµενης φόρτισης φαίνονται στον Πίνακα 3.2. Μετά τη συσκευή DPRΙ-3, ακολούθησε η σειρά συσκευών δακτυλιοειδούς διάτµησης (DPRΙ-4 έως 7) ελεγχόµενης τάσης και δυναµικής φόρτισης του δοκιµίου. Τα κύρια χαρακτηριστικά των συσκευών αυτών φαίνονται στον Πίνακα 3.2, οι οποίες σχεδιάστηκαν στο πανεπιστήµιο του Κιότο (DPRI: Disaster Research Institute). Στις συσκευές DPRΙ-4 ως DPRΙ-7 δεν επιβάλλεται µόνο διάτµηση µε ελεγχόµενη µετακίνηση, όπως γίνονταν µε τις ως τώρα συσκευές, αλλά υπάρχει δυνατότητα διάτµησης µε ελεγχόµενη µονοτονική ή και ανακυκλιζόµενη τάση. Η πίεση των πόρων µετράται σε αυτές τις συσκευές µε τη βοήθεια αισθητήρα µέτρησης πίεσης, που τοποθετείται στην εσωτερική επιφάνεια του άνω εξωτερικού δακτυλίου εγκιβωτισµού και πλησίον της ζώνης διάτµησης του δοκιµίου. Με τις συσκευές αυτές ο Sassa και οι συνεργάτες του έχουν πραγµατοποιήσει εκτεταµένες µελέτες αναφορικά µε τη θραύση των κόκκων και την ανάπτυξη της πίεσης του ύδατος των πόρων σε κοκκώδη ηφαιστειακά αµµώδη εδάφη υπό αστράγγιστες συνθήκες. Οι Sassa et. al (2007) παρουσιάζoυν δύο ακόµα συσκευές που χρησιµοποιήθηκαν για τη διάτµηση δοκιµίου σε περισσότερο λεπτόκοκκα

96 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 63 εδάφη και για πολύ υψηλότερες ορθές τάσεις (Shimamoto και Tsutsumi, 1994, Zhang et. al, 1999). Τη δεκαετία του 1990 επίσης κατασκευάστηκαν και άλλες συσκευές διάτµησης δακτυλίου κατά το πρότυπο της συσκευής διάτµησης δακτυλίου IC- NGI. Σκοπός της κατασκευής τους ήταν ο έλεγχος της απώλειας υλικού από το διάκενο, όπως αναφέρθηκε προηγουµένως. Ο Nieuwenhuis (1991) κατασκεύασε µία συσκευή στο πανεπιστήµιο της Ουτρέχτης στην οποία το διάκενο µεταξύ των δακτυλίων καλύπτεται από ένα καλά λειασµένο ελαστικό δακτύλιο που έχει προς την εξωτερική πλευρά µία µεταλλική πλάκα. Οι Yagi et al. (1991) επίσης παρουσίασαν πολλές συσκευές όπου µπορούν να εκτελεσθούν δύο τύποι δοκιµών ανάλογα µε τις συνθήκες διάτµησης του δοκιµίου. Στον έναν τύπο της δοκιµής, Β-type, η επιφάνεια βρίσκεται κοντά στην άνω δακτυλιοειδή πλάκα, ενώ στον άλλο τύπο, S-type, βρίσκεται στο µέσο του ύψους του δοκιµίου. Το ύψος του δοκιµίου είναι 20mm και 10mm αντίστοιχα. Η εξωτερική διάµετρος είναι 100mm και η εσωτερική 80mm. Οι Yoshimine et al. (1999) παρουσίασαν µία συσκευή στρεπτικής διάτµησης δακτυλίου για λεπτόκοκκα εδάφη. Οι διαστάσεις του δακτυλίου είναι: 20cm εξωτερική και 15cm εσωτερική διάµετρος µε 2cm πάχος δοκιµίου. Στη συσκευή αυτή το σύστηµα επιβολής της ορθής φόρτισης είναι πνευµατικό, ενώ η περιστροφή του κάτω ήµισυ γίνεται µε κατάλληλο κινητήρα που µπορεί να επιβάλλει τόσο µονοτονικές όσο και ανακυκλιζόµενες φορτίσεις. Οι Yoshimine et al. (1999) χρησιµοποιούν ταχύτητες διάτµησης ως 300mm/min, συχνότητες ως 0,5Hz για την ανακυκλιζόµενη φόρτιση και ορθή τάση έως 300kPa. Οι Garga & Sendano (2002) παρουσίασαν µία τροποποιηµένη συσκευή Bromhead µε σκοπό τη διεξαγωγή δοκιµών περιστροφικής διάτµησης διατηρώντας σταθερό τον όγκο του δοκιµίου. Στη συσκευή αυτή, η επιβαλλόµενη ορθή τάση εφαρµόζεται µε ένα πνευµατικό σύστηµα που κατά τη διάρκεια της δοκιµής αποτρέπει τη διόγκωση του δοκιµίου. Έτσι, ο όγκος του δοκιµίου παραµένει σταθερός. Για να είναι ευχερέστερος ο έλεγχος της διόγκωσης του δοκιµίου το ύψος του κιβώτιου εγκιβωτισµού είναι 20mm, ενώ οι εσωτερικοί και εξωτερικοί δακτύλιοι εγκιβωτισµού έχουν αντικατασταθεί από

97 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 64 στήλη δέκα εσωτερικών και εξωτερικών δακτυλίων, ύψους 2mm, ενώ ο ψηλότερος δακτύλιος είναι στα 6mm. Η συσκευή έχει χρησιµοποιηθεί για δοκιµές σε άµµο. Μία συσκευή δακτυλιοειδούς διάτµησης διαµέτρου 1m χρησιµοποιείται από το Πανεπιστήµιο του Σίδνεϊ (Kelly & Airey, 2005). Η συσκευή χρησιµοποιείται για µελέτη της συµπεριφοράς κοκκωδών υλικών σε έρευνες που έχουν σχέση µε την εγκατάσταση πασσάλων σε µεγάλο βάθος. Συσκευές στρεπτικής διάτµησης δακτυλίου έχουν χρησιµοποιηθεί και για δοκιµές σε ακόρεστα δοκίµια κυρίως σε τροποποιηµένες συσκευές τύπου Bromhead (1979). Μία πρώτη εργασία αναφέρεται από τους Voight και Faust (1982). Στη συσκευή αυτή, ο έλεγχος και η µέτρηση της µύζησης πραγµατοποιείται στο εσωτερικό γυάλινου περιβλήµατος, το οποίο περιβάλλει το κιβώτιο διάτµησης. Επίσης, οι Sendano et al. (2007) τροποποίησαν τη συσκευή στρεπτικής διάτµησης σταθερού όγκου των Garga & Sendano (2002) για την εκτέλεση δοκιµών σε ακόρεστα εδάφη. Oι Hong et al. (2011) παρουσίασαν µία ελεγχόµενης µύζησης συσκευή στρεπτικής διάτµησης δακτυλίου. Η αρχή της συσκευής αυτής ακολουθεί την αρχή της συσκευής Bromhead, καθώς το δοκίµιο τοποθετείται και περιστρέφεται µε παρόµοιο τρόπο Συσκευή διάτµησης δακτυλίου (IC-NGI) Ε.Ε.Θ.-Γ.Σ.Μ Γενικές αρχές λειτουργίας Η συσκευή στρεπτικής διάτµησης δακτυλίου που είναι εγκατεστηµένη στο Ε.Ε.Θ.-ΓΣΜ είναι του τύπου IC-NGI περιγράφεται αναλυτικά από τους La Gatta (1970) και Bishop et al. (1971), και επίσης από τους Lupini (1981), Lemos (1986), Τika (1989) και Parathiras (1994). Όπως αναφέρθηκε προηγουµένως, στη συσκευή καθίσταται δυνατή η µέτρηση της µέγιστης και παραµένουσας αντοχής σε µία διατµητική επιφάνεια που σχηµατίζεται στο µέσο του δοκιµίου. Γενικά σχέδια της συσκευής φαίνονται στα Σχήµατα 3.1 έως 3.4.

98 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 65 Η µέγιστη ορθή επιβαλλόµενη τάση είναι 980kPa (142 lb/sq in) και η µέγιστη διατµητική τάση είναι 490 kpa (71lb/sq in). Η βάση της συσκευής είναι κατασκευασµένη από αλουµίνιο και φέρει δύο κατακόρυφους άκαµπτους µεταλλικούς οδηγούς στύλους στους οποίους µετράται η αντίσταση στο βραχίονα της στρεπτικής ροπής (µε τη βοήθεια δυναµοδακτυλίου). Στους στύλους συτούς επίσης στηρίζεται ο βραχίονας από τον οποίο αναρτάται ο µηχανισµός ανασήκωσης του άνω ζεύγους δακτυλίων εγκιβωτισµού και ελέγχου του διάκενου ανάµεσα στο άνω και κάτω ζεύγος δακτυλίων εγκιβωτισµού. Κύριος στόχος κατά το σχεδιασµό της συσκευής ήταν η ακριβής εκτίµηση της ορθής δύναµης και στρεπτικής ροπής στο επίπεδο της σχετικής περιστροφικής µετατόπισης. Η εσωτερική διάµετρος του δοκιµίου είναι αρκετά µεγάλη ως προς την εξωτερική για τη µείωση της ανοµοιόµορφης κατανοµής των τάσεων στο επίπεδο της σχετικής περιστροφικής µετατόπισης. Το δοκίµιο τοποθετείται στη συσκευή και εγκιβωτίζεται από δύο ζεύγη (άνω και κάτω) δακτυλίων. Έπειτα, φορτίζεται κάθετα (κατακόρυφα) µε νεκρό φορτίο µέσω του µοχλού. Η κάθετη δύναµη µεταφέρεται από το µοχλό στο δοκίµιο µέσω ενός κατακόρυφου άξονα που συγκρατείται από έναν περιστροφικό τριβέα (ball bushings) προκειµένου να είναι δυνατή τόσο η κατακόρυφη µετατόπιση όσο και η στροφή. Το κάτω ήµισυ του δοκιµίου εδράζεται πάνω σε µία περιστρεφόµενη βάση που περιστρέφεται µέσω ατέρµονα κοχλία (worm gear) από έναν κινητήρα. Το άνω ήµισυ αντιστέκεται µέσω ενός άκαµπτου βραχίονα που εφάπτεται αντιδιαµετρικά σε δύο δυναµοδακτύλιους που στερεώνονται τους δύο κατακόρυφους στύλους εκατέρωθεν του δοκιµίου. Η αντίσταση που µετράται στην περίπτωση αυτή χρησιµοποιείται για τον υπολογισµό της γωνίας τριβής και για τον έλεγχο του διάκενου ανάµεσα στο άνω και κάτω ζεύγος δακτυλίων εγκιβωτισµού για την αποφυγή ανάπτυξης τριβής ανάµεσά τους. Τούτο επιτυγχάνεται µε ανασήκωση του άνω ζεύγους δακτυλίων εγκιβωτισµού. Η ανασήκωση αυτή προκαλεί µία πλευρική τριβή ανάµεσα στους δακτυλίους και το εδαφικό δοκίµιο, η οποία αναιρεί ένα µέρος της ορθής δύναµης που επιβάλλεται στο δοκίµιο. Στη συσκευή η ανασήκωση γίνεται µε ειδικό σύστηµα αποτελούµενο από διαφορικό κοχλία, ο οποίος αναρτάται

99 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 66 στον οριζόντιο βραχίονα της συσκευής και συνδέεται στη συνέχεια µε ένα δυναµοδακτύλιο (για τη µέτρηση της πλευρικής τριβής) και µέσω του ζευκτήρα σύνδεσης και του κιβωτίου ελευθέρας ροπής µε το άνω ζεύγος των δακτυλίων εγκιβωτισµού. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται µία συνεχής καταγραφή της πλευρικής τριβής και κατά συνέπεια της ακριβής ορθής τάσης σ n που δρα στο δοκίµιο. Σηµειώνεται ότι κατά την εγκατάσταση της συσκευής διάτµησης δακτυλίου στο ΕΕΘ-ΓΣΜ επιβεβαιώθηκε η αξιόπιστη λειτουργία της συσκευής µε έλεγχο της πιθανής ανάπτυξης τριβής στον κατακόρυφο άξονα µεταφοράς του κάθετου φορτίου, επηρεασµού της λειτουργίας της από την επιβολή εξωτερικών οριζοντίων ωθήσεων, του λόγου του µοχλού (1:10) και της κατακόρυφης συµπιεστότητάς της. Πραγµατοποιήθηκε επίσης βαθµονόµηση του κιβωτίου ταχυτήτων του συστήµατος µετάδοσης κίνησης (Α) και µια δοκιµή στην άργιλο του Λονδίνου της οποίας τα αποτελέσµατα συγκρίθηκαν µε αντίστοιχα της βιβλιογραφίας στο ίδιο έδαφος. Από τους παραπάνω ελέγχους, βαθµονοµήσεις και δοκιµή επιβεβαιώθηκε ή σωστή λειτουργία της συσκευής και η αξιόπιστη εκτέλεση δοκιµών σε αυτήν (Εσωτερική Τεχνική Έκθεση ΕΕΘ-ΓΣΜ, 1998) Σύστηµα τοποθέτησης και εγκιβωτισµού του δοκιµίου. Το δακτυλιοειδές δοκίµιο τοποθετείται ανάµεσα σε δύο ζεύγη (άνω και κάτω) οµόκεντρων δακτυλίων και φορτίζεται κάθετα µέσω δακτυλιοειδούς πλάκας φόρτισης. Μεταξύ της δακτυλιοειδούς πλάκας φόρτισης και της βάσης του δοκιµίου παρεµβάλλονται κεραµικοί δακτυλιοειδείς µεταλλικοί πορόλιθοι ανάλογων διαστάσεων για τη στράγγιση του δοκιµίου. Στις πλευρές των πορώδων δίσκων που είναι σε επαφή µε το δοκίµιο, έχουν εγκατασταθεί σε ίσα τόξα δώδεκα µεταλλικές λεπίδες που εισέρχονται στο δοκίµιο για την αποφυγή ολίσθησης. Το κάτω ζεύγος δακτυλίων (εσωτερικός και εξωτερικός), είναι στερεωµένο στη βάση περιστροφής µε κοχλίες, Σχήµα 3.1. Η ευθυγράµµιση του άνω και κάτω ζεύγους οµόκεντρων δακτυλίων επιτυγχάνεται µε οκτώ κοχλίες που κοχλιούνται στη βάση της συσκευής κατά την τοποθέτηση του δοκιµίου και παραµένουν κατά το στάδιο της στερεοποίησης του δοκιµίου πριν τη διάτµηση. Εξωτερικά από τους

100 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 67 εξωτερικούς δακτύλιους υπάρχει ένας ακρυλικός (plexiglass) δακτύλιος, στερεωµένος στη βάση του δίσκου µε κατάλληλο ελαστικό δακτύλιο (Ο -ring) και ύψος ως τον άνω εξωτερικό δακτύλιο. Ο χώρος µεταξύ του ακρυλικού δακτυλίου και του εξωτερικού δακτυλίου πληρούται µε απεσταγµένο νερό, έτσι ώστε να υπάρχει τροφοδοσία του δοκιµίου στην επιφάνεια διάτµησης µε νερό και για την αποφυγή ξήρανσης του δοκιµίου κατά τη διάρκεια της δοκιµής. Η διάταξη αυτή προσοµοιώνει πρακτικά την κορεσµένη ζώνη διάτµησης, ως αυτή να βρίσκεται κάτω από τον υδροφόρο ορίζοντα στο πεδίο. Κατά τη διάρκεια της δοκιµής, η µεταβολή του ύψους του δοκιµίου καταγράφεται από δύο αισθητήρες µετατόπισης που είναι αντιδιαµετρικά τοποθετηµένοι σε ειδική γέφυρα. Η γέφυρα αυτή στηρίζεται από τρεις κατακόρυφους ράβδους προσαρµοσµένες στο κιβώτιο γραναζιών Σύστηµα κάθετης φόρτισης Η κάθετη φόρτιση στο δοκίµιο εφαρµόζεται µε τη βοήθεια µοχλού (λόγος φόρτισης µοχλού 10:1). Η ορθή δύναµη µεταφέρεται στον άξονα και αυτός τη µεταφέρει σε έναν άκαµπτο δακτύλιο συνδεδεµένο στον οριζόντιο βραχίονα επιβολής της στρεπτικής ροπής της συσκευής µέσω ενός περικοχλίου µε σφαιρική έδραση, Σχήµα 3.2. Ο κύριος άξονας έχει στη βάση όπου τοποθετείται ο βραχίονας έναν ελαστικό δακτύλιο (Ο -ring πάχους 5mm) όπου εδράζεται το περικόχλιο. Τούτο επιτρέπει στο βραχίονα στρεπτικής ροπής να αποκλίνει µερικώς από την οριζόντια, παρακολουθώντας τυχόν διαφορικές διαφοροποιήσεις του ύψους του δοκιµίου κατά τη διάρκεια της δοκιµής. Όπως αναφέρθηκε ανωτέρω, η µεταφορά του κάθετου φορτίου στην άνω επίπεδη επιφάνεια φόρτισης του δοκιµίου γίνεται διαµέσω ενός άκαµπτου δακτυλίου που αποτελείται από δύο µη συνεχή καµπύλα τµήµατα αριστερά και δεξιά του κύριου άξονα. Αυτά τα τµήµατα στερεώνονται µε κοχλίες επάνω στον οριζόντιο βραχίονα στρεπτικής ροπής βραχίονα και αποτελούν ενιαίο τµήµα. Από αυτά τα καµπύλα τµήµατα διέρχονται τέσσερις πείροι οδηγοί που τα συνδέουν µε την άνω πλάκα φόρτισης για να είναι εφικτή η παραλαβή της δύναµης διάτµησης. Γενικότερα, το ύψος των καµπύλων τµηµάτων και η θέση του περικόχλιου στον κύριο άξονα καθορίζουν το µέγιστο ύψος του δοκιµίου.

101 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 68 Επίσης, στη βάση του κύριου άξονα υπάρχει σύνδεση µέσω ενός στροφέα, που επιτρέπει στον άξονα να εκτελεί ελεύθερα µικρές στροφές για την παρεµπόδιση ανάπτυξης ανεπιθύµητων καµπτικών τάσεων στο σηµείο σύνδεσης του κύριου άξονα µε το µοχλό. Για το λόγο αυτό ο στροφέας φέρει λαβή που επιτρέπει τη στροφή του κύριου άξονα κατά τη διάρκεια της δοκιµής και έτσι την απαλοιφή τριβής που µπορεί προοδευτικά να συσσωρευτεί. Ο µοχλός διαθέτει ειδικό µηχανισµό για την οριζοντίωσή του κατά τη διάρκεια της δοκιµής. Η οριζοντίωση γίνεται µε την κατακόρυφη µεταβολή της θέσης του αντίβαρου, ώστε να µην επηρεάζεται ο λόγος του µοχλού, εξαιτίας αλλαγής των αποστάσεων της θέσης του αναρτήρα των βαρών και της σύνδεσης µε τον κύριο άξονα αντίστοιχα. Αν δεν επιτευχθεί οριζοντίωση, τότε εκτός από τη διαφορετική κάθετη δύναµη µπορεί να εισάγεται και διατµητική δύναµη στον άξονα. Η δύναµη αυτή ενδέχεται να προκαλέσει διαφορικές καθιζήσεις λόγω διατµητικής τάσης στα προσαρµοσµένα στον οριζόντιο βραχίονα δύο καµπύλα τµήµατα Σύστηµα ελέγχου του διάκενου µεταξύ των δακτυλίων εγκιβωτισµού Το σύστηµα ελέγχου του διάκενου ανάµεσα στο άνω και κάτω ζεύγος δακτυλίων εγκιβωτισµού αποτελείται από τα παρακάτω στη σειρά (από άνω προς τα κάτω) συνδεόµενα µεταξύ τους τµήµατα: διαφορικό κοχλία δυναµόµετρο κωδωνοειδή ζευκτήρα κιβώτιο ελεύθερης ροπής σύνδεσµο σχήµατος Π. Ο σύνδεσµος σχήµατος Π συνδέεται µε την άνω πλάκα φόρτισης του δοκιµίου (2 οδηγούς πείρους) και το άνω ζεύγος δακτυλίων εγκιβωτισµού (8 κοχλίες). Τέσσερις κοχλίες συνδέουν το σύνδεσµο σχήµατος Π µε τον άνω εξωτερικό δακτύλιο και τέσσερις κοχλίες τον συνδέουν µε τον άνω εσωτερικό δακτύλιο. Επίσης, δύο οδηγοί πείροι τοποθετηµένοι αντιδιαµετρικά συνδέουν σταθερά την άνω πλάκα φόρτισης µε το σύνδεσµο αυτό, έτσι ώστε κατά τη διάρκεια της διάτµησης οι άνω δακτύλιοι εγκιβωτισµού και η άνω πλάκα φόρτισης να περιστρέφονται ως ενιαίο τµήµα, Σχήµα 3.3. Η σύνδεση αυτή

102 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 69 αποτρέπει σχετική στροφή του δοκιµίου µε τους άνω δακτυλίους εγκιβωτισµού, επιτρέποντας µόνο την κατακόρυφη σχετική κίνηση, η οποία οφείλεται είτε στην απώλεια υλικού, είτε στη µεταβολή όγκου του δοκιµίου κατά τη διάρκεια της διάτµησης. Η πλευρική τριβή µεταξύ δοκιµίου και των δακτυλίων εγκιβωτισµού µετριέται µε ένα δυναµοδακτύλιο, ο οποίος λειτουργεί σε συµπίεση και εφελκυσµό. Ο δακτύλιος αυτός θα πρέπει να είναι δύσκαµπτος, έτσι ώστε να µειώνεται η τάση του δοκιµίου για διόγκωση. Ο δυναµοδακτύλιος θα πρέπει να λειτουργεί σε εφελκυσµό, καθώς αν υποβάλλεται σε θλίψη τούτο υποδεικνύει συµπίεση του ζεύγους των άνω δακτυλίων. Το παραπάνω σύστηµα ελέγχου του διάκενου αναρτάται από το βραχίονα που στηρίζεται στους δύο άκαµπτους στύλους και κινείται κατακόρυφα µε τη βοήθεια του διαφορικού κοχλία. Το µέγεθος του διάκενου µετριέται µε δύο µηχανικά µηκυνσιόµετρα που είναι αντιδιαµετρικά τοποθετηµένα στην ίδια γέφυρα µε τους αισθητήρες µετακίνησης που µετρούν τη µεταβολή του ύψους του δοκιµίου. Τα µηκυνσιόµετρα αυτά έχουν ακρίβεια 2µm και τοποθετούνται στερεωµένα στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο µε τους αισθητήρες µετατόπισης που µετρούν τη µεταβολή του ύψους του δοκιµίου. Μετά τη στερεοποίηση του δοκιµίου και την αφαίρεση των κοχλίων που συγκρατούν µαζί και ευθυγραµµίζουν το άνω και κάτω ζεύγος των δακτυλίων εγκιβωτισµού καταγράφεται η ένδειξη (αναφοράς) των µηχανικών µηκυνσιοµέτρων που χρησιµοποιούνται για τη µέτρηση του διάκενου. Στη συνέχεια το ανωτέρω σύστηµα ελέγχου του διάκενου ανασηκώνεται µε τη βοήθεια του διαφορικού κοχλία, έτσι ώστε το διάκενο να είναι περίπου 0,0254~0,0508mm(0,001-0,002in) Σύστηµα µέτρησης της διατµητικής δύναµης Όπως αναφέρθηκε προηγουµένως, το σύστηµα τοποθέτησης και εγκιβωτισµού του δοκιµίου τοποθετείται και στερεώνεται µε κοχλίες επάνω σε βάση που περιστρέφεται µέσω του ατέρµονα κοχλία µε τη βοήθεια ηλεκτροκινητήρων. Κατά την περιστροφή της βάσης, το κάτω ήµισυ του συστήµατος τοποθέτησης και εγκιβωτισµού του δοκιµίου την παρακολουθεί, ενώ το άνω ήµισυ παραµένει ακίνητο και αντιστέκεται. Η αντίσταση του

103 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 70 µετράται στα δύο αντιδιαµετρικά άκρα του οριζόντιου βραχίονα στρεπτικής ροπής µε τη βοήθεια δύο δυναµοδακτύλιων, F1 και F2. Οι δυναµοδακτύλιοι αυτοί είναι στερεωµένοι στους δύο άκαµπτους κατακόρυφους στύλους µε ειδικό µηχανισµό που επιτρέπει τη µεταβολή της σχετικής τους θέση προβολής (µέσω ειδικών κοχλίων) που τους στερεώνουν στο στύλο τους. Η θέση τους πρέπει να είναι τέτοια ώστε να κατανέµεται ισοµερώς το ζεύγος των δυνάµεων της ροπής αντίστασης πριν από κάθε δοκιµή διάτµησης. Κάθε δυναµοδακτύλιος φέρει µόνιµα στερεωµένο κατακόρυφο τροχό στο σηµείο επαφής του µε το βραχίονα στρεπτικής ροπής. Ο τροχός αυτός περιστρέφεται και ολισθαίνει επάνω στην κατακόρυφη επιφάνεια του βραχίονα, καθώς ο τελευταίος παρακολουθεί την καθίζηση ή διόγκωση του δοκιµίου. Με τον τρόπο αυτό διαφωτίζονται συνθήκες στήριξης τύπου κύλισης στα σηµεία επαφής των δυναµοµέτρων και του βραχίονα Συστήµατα µετάδοσης κίνησης Κατά την εγκατάσταση της συσκευής διάτµησης στο Ε.Ε.Θ.-ΓΣΜ, η συσκευή διάτµησης δακτυλίου διέθετε ένα σύστηµα κίνησης (Α), αποτελούµενο από δύο κινητήρες (κινητήρες Α1 και Α2) µεταβλητών στροφών και συνεχούς ρεύµατος. Το εύρος του ρυθµού µετατόπισης στη βάση της συσκευής περιστροφικής διάτµησης ήταν από 0,0001 έως 59,99 /min. Στη συνέχεια (2009), το ανωτέρω σύστηµα κίνησης αντικαταστάθηκε µε ένα νέο σύστηµα µετάδοσης της κίνησης (Β), οποίο επέκτεινε το εύρος του επιβαλλόµενου ρυθµού µετατόπισης από 2,5*10-5 mm/min έως mm/min στο µέσον του δοκιµίου και έδωσε τη δυνατότητα µεταβολής της επιτάχυνσης για την επιβολή του ρυθµού µετατόπισης. Η αναλυτική περιγραφή των συστηµάτων κίνησης πραγµατοποιείται στο Παράρτηµα Α Συστήµατα µέτρησης και καταγραφής των µετρήσεων. Στη συσκευή διάτµησης δακτυλίου υπάρχουν τρεις δυναµοδακτύλιοι (F1 έως F3). Οι F1 και F2 χρησιµοποιούνται για τη µέτρηση του ζεύγους των διατµητικών δυνάµεων της στρεπτικής ροπής στο βραχίονα και ο F3 χρησιµοποιείται για τη µέτρηση της πλευρικής τριβής του δοκιµίου κατά την ανάρτησή του συστήµατος ελέγχου του διάκενου µεταξύ του άνω και κάτω

104 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 71 ζεύγους δακτυλίων. Οι δακτύλιοι F1 και F2 έχουν βαθµονοµηθεί για συµπίεση ενώ, ο δακτύλιος F3 έχει βαθµονοµηθεί για εφελκυσµό. Και οι τρεις δυναµοδακτύλιοι έχουν µέγιστο φορτίο 0,7 ΚΝ. Οι βαθµονοµήσεις τους παρουσιάζονται στο Παράρτηµα Α. Οι δυναµοδακτύλιοι F1 και F2 πρέπει να είναι της ίδιας δυσκαµψίας για την αποφυγή άνισων δυνάµεων της στρεπτικής ροπής. Κατά τη διάρκεια της δοκιµής, οι δυναµοδακτύλιοι σταθεροποιούνται µε ροδέλες συγκράτησης στους δύο κατακόρυφους στύλους στη βάση της συσκευής. Πριν από κάθε στάδιο διάτµησης του δοκιµίου, πρέπει να γίνεται έλεγχος της επαφής του βραχίονα µε τους δυναµοδακτύλιους και της αρχικής (µηδενικής) ένδειξης των δυναµοδακτυλίων. Οι παραµορφώσεις όλων των δυναµοδακτυλίων µετρώνται µε τη βοήθεια αισθητήρων µετατόπισης (RDP), οι οποίοι είναι ενσωµατωµένοι στους δυναµοδακτύλιους. Το σήµα εξόδου των αισθητήρων καταγράφεται από κάρτα της National Instruments (µοντέλο ΝΙ-6281) που είναι εγκατεστηµένη σε µονάδα Η/Υ µέσω ειδικής κάρτας εισόδου (Gb-82LP) και σειριακού καλωδίου. Η διαχείριση της καταγραφής γίνεται µε το λογισµικό LabView (v.7.0). Χρησιµοποιούνται δύο διαφορετικές εφαρµογές του προγράµµατος, η µία για γρήγορες καταγραφές ταχύτητας µεγαλύτερης των 10Hz και η άλλη για µικρότερες ταχύτητες καταγραφής. Η τροφοδοσία όλων των αισθητήρων µετατόπισης συµπεριλαµβανοµένων αυτών που χρησιµοποιούνται για τη µέτρηση της µεταβολής του ύψους του δοκιµίου γίνεται από την ίδια πηγή παροχής συνεχούς ρεύµατος (Hameg power supply) στα Volt. H συνδεσµολογία του συστήµατος καταγραφής µετρήσεων φαίνεται στο Σχήµα 3.1. Πραγµατοποιήθηκε επίσης βαθµονόµηση της κατακόρυφης συµπιεστότητας της συσκευής, η οποία παρουσιάζεται στο Παράρτηµα Α Καθεστώς τάσεων και παραµορφώσεων στη συσκευή διάτµησης δακτυλίου. Ένας από τους προβληµατισµούς σχετικά µε το καθεστώς των αναπτυσσόµενων τάσεων και παραµορφώσεων στη συσκευή διάτµησης δακτυλίου είναι η ανισοκατανοµή των διατµητικών τάσεων ακτινικά του δοκιµίου: Αυτό συµβαίνει καθώς λόγω της γεωµετρίας του δακτυλίου η

105 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 72 µετατόπιση στην εξωτερική ακτίνα του δακτυλίου είναι κατά 1,5 φορά µεγαλύτερη από τη µετατόπιση στην εσωτερική ακτίνα του δακτυλίου. Τούτο σηµαίνει ότι η διατµητική τάση µεταβάλλεται ανάλογα µε τα διατµητική παραµόρφωση, όπως αναλύεται στην επόµενη παράγραφο (τέταρτη υπόθεση). Τέτοιου είδους αναφορές γίνονται καταρχήν από τον Hvorslev (1939) όπου η κατανοµή των τάσεων γίνεται από την επικεντρική απόσταση των σηµείων της επιφάνειας µεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού δακτυλίου. Πάντως, η υπόθεση για την κατανοµή της ορθής και διατµητικής τάσης έχει µεγαλύτερη επίδραση στη µέγιστη αντοχή. Ο υπολογισµός της παραµένουσας αντοχής µπορεί να βασιστεί σε διαφορετικές υποθέσεις, όσον αφορά το καθεστώς τάσεων παραµορφώσεων κατά το µήκος της ακτίνας του δακτυλίου του εδαφικού δοκιµίου κατά τη διάτµησή του (Bishop, 1971). α) οι σ n και η τ είναι οµοιόµορφα κατανεµηµένες στο επίπεδο διάτµησης β) τόσο η σ n, όσο και η τ µεταβάλλονται ανεξάρτητα γ) η σ n είναι οµοιόµορφα κατανεµηµένη και η τ µεταβάλλεται γραµµικά κατά το µήκος της ακτίνας του εδαφικού δοκιµίου δ) η σ n είναι οµοιόµορφα κατανεµηµένη και η τ είναι συνάρτηση της διατµητικής παραµόρφωσης του εδαφικού δοκιµίου κατά τη διάτµηση. Από τις παραπάνω υποθέσεις, οι δύο πρώτες θεωρούν πλαστική συµπεριφορά του εδάφους, ενώ οι υπόλοιπες θεωρούν ελαστική συµπεριφορά του εδάφους. Σύµφωνα µε τους Bishop et. al, (1971) η πρώτη θεωρείται η πιο ενδεδειγµένη υπόθεση. Πέρα από την απλότητά της, η εµπιστοσύνη σε αυτή τη υπόθεση προκύπτει τόσο από την πλαστική συµπεριφορά του εδάφους στην επιφάνεια διάτµησης που βρίσκεται στην παραµένουσα αντοχή, όσο και από τις διαστάσεις του δοκιµίου. Συγκεκριµένα, ο µικρός λόγος της διαφοράς της εξωτερικής µε την εσωτερική ακτίνα του δακτυλίου προς την εξωτερική ακτίνα, όσο και το µικρό πάχος του δοκιµίου συγκριτικά µε την εξωτερική διάµετρο του δακτυλίου επιτρέπουν µε ασφάλεια να γίνεται χρήση της πρώτης σχέσης και για τον προσδιορισµό αντοχών διαφορετικών από την παραµένουσα. Οι Bishop et al. (1971) παρουσίασαν µία διερεύνηση της µεταβολής της φ r για οµοιόµορφη ορθή τάση και µε διαφοροποίηση της διατµητικής τάσης κατά µήκος της ακτίνας του δακτυλίου.

106 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 73 Το συµπέρασµα είναι ότι ακόµα και για τις πιο ακραίες περιπτώσεις ανισοκατανοµής των διατµητικών τάσεων στην επιφάνεια διάτµησης, η διαφοροποίηση σε σχέση µε µία οµοιόµορφη κατανοµή είναι περίπου ±2 για τη µέγιστη αντοχή και για φ <20. Επιπλέον, οι παραµορφώσεις στα κατακόρυφα επίπεδα που είναι κάθετα στη διεύθυνση της ακτίνας του δοκιµίου είναι ανοµοιόµορφες και παρουσιάζουν υψηλή συγκέντρωση στο µέσον του δοκιµίου και τις λεπίδες που έχουν τοποθετηθεί στους πορώδεις δίσκους για την καλύτερη πρόσφυση τους µε το δοκίµιο. Αυτές µπορεί κατά τη στερεοποίηση να δηµιουργούν τοπικές συγκεντρώσεις τάσεων στα σηµεία έµπηξής τους (Bishop et. al, 1971). Είναι κατά συνέπεια προφανές ότι οι καµπύλες τάσης µέσης µετατόπισης που προσδιορίζονται για την πριν την παραµένουσα διατµητική αντοχή του εδάφους πρέπει να θεωρούνται ενδεικτικές µόνον. Μετά όµως την ενεργοποίηση της παραµένουσας αντοχής η υπόθεση για οµοιόµορφη κατανοµή τόσο της ορθής σ n, όσο και διατµητικής τάσης, τ, (παραδοχή ανωτέρω) θεωρείται ικανοποιητική και η διαφορά που προκύπτει µεταξύ αυτής της παραδοχής και των άλλων που θεωρούν µη ανοµοιόµορφη κατανοµή είναι µικρή (Πίνακας 3.1, Bishop et al., 1971). Η διερεύνηση του λάθους στην εκτίµηση της διατµητικής αντοχής και το συντελεστή τριβής του εδάφους λόγω της αναπτυσσόµενης τριβής στο διάκενο των δακτυλίων εγκιβωτισµού, της µέτρησης του ζεύγους των δυνάµεων για τον υπολογισµό της στρεπτικής ροπής, καθώς και της πλευρικής τριβής παρουσιάζονται στο Παράρτηµα Α ιαδικασία δοκιµών διάτµησης δακτυλίου Προετοιµασία δειγµάτων οκιµές που πραγµατοποιήθηκαν σε αδιατάρακτα δοκίµια από τους La Gatta (1970) και Bishop (1971) έδειξαν ότι η παραµένουσα αντοχή δεν εξαρτάται από τη δοµή του εδαφικού δοκιµίου.

107 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι ιαδικασία δοκιµών διάτµησης δοκιµίου Η τοποθέτηση των εδαφικών δοκιµίων έγινε σύµφωνα µε την προτεινόµενη από τους Bishop et al. (1971) διαδικασία. Πριν την τοποθέτηση του δοκιµίου, το άνω και κάτω ζεύγος δακτυλίων εγκιβωτισµού τοποθετούνται και κοχλιώνονται στην κυκλική βάση. Σύµφωνα µε τη βασική διαδικασία δοκιµών, το δοκίµιο µετά τη στερεοποίηση (φόρτιση αποφόρτιση) υποβάλλεται σε βραδεία διάτµηση για τη δηµιουργία ζώνης διάτµησης και τη µέτρηση της παραµένουσας αντοχής σε συνθήκες πλήρους στράγγισης. Χρησιµοποιούνται ταχύτητες διάτµησης της τάξης του 0,01mm/min για τη διασφάλιση της πλήρους αποτόνωσης της υπερπίεσης του ύδατος των πόρων εντός του χρόνου στερεοποίησης του δοκιµίου. Μετά την ενεργοποίηση της βραδείας παραµένουσας αντοχής, το δοκίµιο αποφορτίζεται από τη διατµητική τάση και στη συνέχεια υποβάλλεται σε ταχεία διάτµηση. Αµέσως µετά την ταχεία διάτµηση, το δοκίµιο αποφορτίζεται εκ νέου από τη διατµητική τάση για την αποφυγή µετατόπισης λόγω ερπυσµού. Μετά από παύση για τη στερεοποίηση του δοκιµίου, πραγµατοποιείται επανεκκίνηση της βραδείας διάτµησης υπό συνθήκες πλήρους στράγγισης. Στη συνέχεια εκτελείται µια ακολουθία εναλλασσόµενων φάσεων ταχείας και βραδείας διάτµησης για τη µελέτη της επίδρασης της ταχύτητας διάτµησης στην παραµένουσα αντοχή. Μετά την ολοκλήρωση της διάτµησης στο πρώτο επίπεδο της ορθής τάσης, το δοκίµιο αποφορτίζεται από τη διατµητική τάση και υποβάλλεται σε µία νέα ορθή τάση, για τη µελέτη της επίδρασης της ορθής τάσης. Η ονοµαστική ορθή τάση στις εκτελεσθείσες δοκιµές κυµαίνεται από 120kPa έως 480kPa. Κατά τη διάτµηση των δοκιµών χρησιµοποιήθηκαν δύο τύποι χρονοϊστορίας της ταχύτητας διάτµησης, οι οποίοι περιγράφονται ακολούθως, Σχήµα Τύπος Ι. Στον τύπο αυτό η ταχύτητα αρχικά αυξάνεται µε σταθερή επιτάχυνση σε χρόνο t ac µέχρι µία µέγιστη τιµή, στη συνέχεια ακολουθεί διάτµηση µε σταθερή ταχύτητα ίση µε τη µέγιστη, για χρονικό διάστηµα t cv, και τέλος η κίνηση επιβραδύνεται µε σταθερή

108 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 75 επιβράδυνση σε χρόνο t dec, έως την παύση της. Σηµειώνεται ότι µόνο στον κινητήρα Β υπάρχει η δυνατότητα επιλογής των χρόνων επιτάχυνσης και επιβράδυνσης, t ac και t dec αντίστοιχα. Για τον κινητήρα Α δεν υπάρχει η δυνατότητα αυτή και για αυτό θεωρείται ότι η ταχύτητα διάτµησης αυξάνεται ακαριαία στη µέγιστη τιµή της και µηδενίζεται επίσης ακαριαία (t ac =t dec 0). - Τύπος ΙΙ. Στον τύπο αυτό εκτελείται επιταχυνόµενη κίνηση µε σταθερή επιτάχυνση µέχρι µία µέγιστη τιµή της ταχύτητας και στη συνέχεια η κίνηση επιβραδύνεται µε σταθερή επιβράδυνση έως την παύση της. Σηµειώνεται ότι µόνο µε το σύστηµα µετάδοσης της κίνησης Β υπάρχει η δυνατότητα επιβολής του τύπου αυτού χρονοϊστορίας της ταχύτητας διάτµησης. Στις περισσότερες φάσεις ταχείας διάτµησης στις οποίες χρησιµοποιείται ο τύπος, ο πραγµατικός χρόνος της επιταχυνόµενης κίνησης, t ac, είναι µικρότερος από τον ονοµαστικό χρόνο, t ac,n, λόγω της απαιτούµενης µεγάλης µετατόπισης για την επίτευξη της επιλεγείσας ονοµαστικής µέγιστης ταχύτητας διάτµησης. Για το λόγο αυτό, οι φάσεις αυτές ταχείας διάτµησης τερµατίζονται µε διακοπή της κίνησης του κινητήρα στο κυτίο τροφοδοσίας του. Ο εκτιµούµενος χρόνος για την ακινητοποίηση του συστήµατος κίνησης Β και εποµένως ο χρόνος επιβράδυνσης εκτιµάται ότι είναι της τάξης 0,15s. Οι φάσεις λοιπόν στις οποίες εφαρµόστηκε ο τύπος ΙΙ της χρονοϊστορίας της ταχύτητας διάτµησης περιγράφονται µε τον t ac,n και την ονοµαστική µέγιστη ταχύτητα διάτµησης. Στην παρουσίαση, ανάλυση και αξιολόγηση όµως των αποτελεσµάτων τους έχει ληφθεί υπόψη ο πραγµατικός χρόνος t ac και η στιγµιαία ταχύτητα διάτµησης. Για τις φάσεις στις οποίες εφαρµόστηκε η χρονοϊστορία τύπου ΙΙ οι πραγµατικοί χρόνοι t ac, t dec δίνονται στο Παράρτηµα Β Υπολογισµοί και παρουσίαση των αποτελεσµάτων Η ορθή τάση υπολογίζεται από την ακόλουθη εξίσωση: W σ n = π( r r ) (3.1)

109 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 76 όπου: W: η ορθή δύναµη στο δοκίµιο, ίση µε W = 10P+ P W P: το νεκρό φορτίο στο µοχλό P o : βάρος του άνω πορόλιθου W: η πλευρική τριβή που µετράται από το δυναµοδακτύλιο F 3 r 2 : η εξωτερική ακτίνα του δοκιµίου, 76,2mm (3in) r 1 : η εσωτερική ακτίνα του δοκιµίου, 50,8mm (2in) Η διατµητική τάση υπολογίζεται από την εξίσωση: 3Μ τ = 2 π( r r ) όπου: Μ: η ροπή στρέψης. Ο συντελεστής τριβής δίνεται από τη σχέση: τ 3 Μπ( r r ) 3 Μ ( r + r ) tanφ = = = σ 2 π( r r ) w 2 w( r r r r ) n o (3.2) (3.3) όπου: F1+ F2 Μ= l (3.4) 2 όπου: F 1 και F 2 : οι δυνάµεις που µετρώνται από τους δυναµοδακτύλιους F 1 και F 2 αντίστοιχα l : µήκος του µοχλοβραχίονα (απόσταση πάνω στον βραχίονα µεταξύ των δύο σηµείων επαφής των δυναµοδακτύλιων που γίνεται η µέτρηση των διατµητικών δυνάµεων). Η σχέση 3.3 µπορεί επίσης να γραφτεί: τ 3 l( F + F )( r + r ) tanφ = = σ 4(10 P+ P W )( r + r r + r ) n O (3.5) όπου: r 1 =50,8mm r 2 =76,2mm l= 480mm ± 0,2mm Σηµειώνεται ότι το µήκος του µοχλοβραχίονα επηρεάζεται από τις διαφορικές καθιζήσεις που υφίσταται το δοκίµιο. Κατά τη διάρκεια της δοκιµής, οι διαφορικές καθιζήσεις µπορεί να µειώσουν την απόσταση µεταξύ των σηµείων επαφής των δυναµοδακτυλίων µε το βραχίονα, καθώς προκαλούν

110 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 77 κλίση για το βραχίονα. Σύµφωνα µε τον Lupini (1981), η µεταβολή αυτή είναι της τάξης του ±0,2mm. Έτσι, η σχέση 3.5 διαµορφώνεται ως εξής: τ ( F + F ) 1 2 tanφ = = 3,7298 σ n (10 P+ PO W ) (3.6) Η µετατόπιση που χρησιµοποιείται στην παρουσίαση των αποτελεσµάτων είναι η µέση µετατόπιση που υπολογίζεται στη µέση ακτίνα του δοκιµίου. Είναι: d r + r θ θ (3.7) = r = όπου: θ: η γωνιακή µετατόπιση (rad). Αν στη σχέση 3.7 η γωνία θ αναφέρεται σε µοίρες θ τότε η µετατόπιση d δίνεται σε mm από τον τύπο 3.8: d = 1,1085 * θ ( mm) (3.8) H παραπάνω σχέση είναι αυτή που ουσιαστικά εφαρµόζεται, καθώς η µέτρηση της γωνίας περιστροφής αποτελεί την ευκολότερη επιλογή. Αυτό γίνεται µε ένα σύστηµα βερνιέρου στερεωµένου στην κάτω περιστρεφόµενη βάση του δοκιµίου. Η συσχέτιση της µετατόπισης µε τις διατµητικές δυνάµεις γίνεται µε το χρονικό συσχετισµό των αντίστοιχων τιµών. Τα αποτελέσµατά παρουσιάζονται ως γραφήµατα της µεταβολής τ/σ n µε τη µετατόπιση σε λογαριθµική κλίµακα. Ο λόγος είναι ότι σε µεγάλες µετατοπίσεις είναι πιο εµφανής στη λογαριθµική κλίµακα η ενεργοποίηση της παραµένουσας αντοχής. Καθώς δηλαδή η αντοχή µεταβάλλεται έντονα στις αρχικές µετακινήσεις, ενδέχεται σταθεροποίηση στην τιµή της αντοχής να είναι φαινοµενική και όχι µόνιµη. Άλλωστε, οι µετακινήσεις για την ενεργοποίηση της παραµένουσας αντοχής είναι µεγάλες. Οι δοκιµές που αναφέρονται στην επιρροή της ταχύτητας διάτµησης µπορούν να παρουσιαστούν σε µη λογαριθµική κλίµακα. Εναλλακτικά αυτής της παρουσίασης γίνονται και διαγράµµατα φ r ως προς τη λογαριθµική κλίµακα της µετακίνησης. Επίσης, από τις καταγραφές της καθίζησης του δοκιµίου µπορούν να γίνουν αντίστοιχα διαγράµµατα h µε τη µετακίνηση σε λογαριθµική κλίµακα. Η µεταβολή του ύψους του δοκιµίου θεωρείται ότι ανταποκρίνεται σε µεταβολή

111 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 78 του όγκου του δοκιµίου µόνο κατά τα πρώτα στάδια της δοκιµής. Αυτό παρατηρείται γιατί οι απώλειες του υλικού που συµβαίνουν από το διάκενο µεταξύ των δακτυλίων δηµιουργούν µία συνεχή καθίζηση. Ωστόσο, οι απώλειες αυτές δεν είναι σηµαντικές στις µικρές ταχύτητες διάτµησης, Lupini (1981). Ακόµα όµως και στις µεγάλες ταχύτητες, οι απώλειες παρατηρούνται µετά από µία αρχική µετακίνηση οκιµές άµεσης διάτµησης Οι δοκιµές άµεσης διάτµησης πραγµατοποιήθηκαν στη συσκευή άµεσης διάτµησης του Ε.Ε.Θ.- ΓΣΜ της Εταιρείας Wykeham-Farrance Engineering (WF25400). Η συσκευή είναι ελεγχόµενης µετατόπισης (µέγιστη διαδροµή διάτµησης 12mm και ταχύτητα διάτµησης από 0,00001mm/min ως 10mm/min) και το κυλινδρικό δοκίµιο έχει διάµετρο 63mm και αρχικό ύψος 25mm. Η ορθή φόρτιση στο δοκίµιο εφαρµόζεται µε νεκρά φορτία, τα οποία επιβάλλονται είτε απευθείας στο δοκίµιο µέσω ενός στελέχους ανάρτησης, είτε µέσω µοχλού (λόγος 10:1). Η εφαρµοζόµενη διατµητική δύναµη µετράται µε δυναµοδακτύλιο (µέγιστη δύναµη 2ΚΝ), του οποίου οι παραµορφώσεις µετρώνται µε ψηφιακό µηκυνσιόµετρο. Η καθίζηση του δοκιµίου και η οριζόντια µετατόπιση µετρώνται µε ψηφιακούς µηκυνσιόµετρο. Οι ενδείξεις του δυναµοδακτύλιου (ψηφιακού µηκυνσιόµετρου) και των αναλογικών αισθητήρων µετατόπισης καταγράφονται από το γενικής χρήσης σύστηµα καταγραφής (ΜΡΧ 2000 της εταιρείας VJ) του Ε.Ε.Θ.-ΓΣΜ. Οι βαθµονοµήσεις του δυναµόµετρου και των δύο αναλογικών αισθητήρων µετατόπισης παρουσιάζονται στο Παράρτηµα Α οκιµές κατάταξης Οι δοκιµές προσδιορισµού των ορίων υδαρότητας και πλαστικότητας, καθώς και της κοκκοµετρικής διαβάθµισης των εδαφών πραγµατοποιήθηκαν σύµφωνα µε τις Βρετανικές Προδιαγραφές (BS:1377:1975). Ο προσδιορισµός του ορίου υδαρότητας έγινε µε τη µέθοδο του κώνου πενετοµέτρησης ( οκιµή 2(Α), BS:1377:1975). Αξίζει να σηµειωθεί ότι για τη διεξαγωγή των ορίων χρησιµοποιήθηκε το διερχόµενο από το κόσκινο Νο10 (<2mm) υλικό, όπως

112 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 79 και στις δοκιµές άµεσης διάτµησης και διάτµησης δακτυλίου. Η κοκκοµετρική καµπύλη προσδιορίστηκε µε τη µέθοδο της υγρής κοκκοµετρίας ( οκιµή 7(Α), BS:1377:1975) και τη µέθοδο αραιοµέτρου ( οκιµή 7(D), BS:1377:1975). Για τη δοκιµή του αραιοµέτρου χρησιµοποιήθηκε απεσταγµένο νερό και άλας του Graham (πολυσφωρικό νάτριο) ως αντιθροµβωτικό, για την παρασκευή διαλύµατος κανονικότητας 1Ν Μελέτη µικροδοµής εδαφικών δοκιµίων Η µελέτη της δηµιουργούµενης µικροδοµής κατά τη διάτµηση των µελετηθέντων εδαφών στη συσκευή διάτµησης δακτυλίου πραγµατοποιήθηκε µε την κατασκευή λεπτών στιλπνών τοµών τους και την παρατήρησή τους στο πολωτικό και ηλεκτρονικό µικροσκόπιο Κατασκευή λεπτών τοµών Για την κατασκευή λεπτών τοµών από ηλεκτρονικό µικροσκόπιο έγινε χρήση διαλύµατος πολυαιθυλενογλυκόλης υψηλού µοριακού βάρους Μετά το πέρας της δοκιµής και την εξαγωγή του δοκιµίου από τη συσκευή διάτµησης δακτυλίου, συλλέχθηκαν αδιατάρακτα τεµάχια που βυθίστηκαν πλήρως σε υγρό διάλυµα πολυαιθυλενογλυκόλης γενικού χηµικού τύπου C 2n H 4n+2 O n+1 και µέσου µοριακού βάρους 6000 για τουλάχιστον 12 εβδοµάδες. Το διάλυµα διατηρούνταν σε υγρή κατάσταση καθώς βρισκόταν σε κλίβανο στους 65 C. Το σηµείο τήξεως της πολυαιθυλενογλυκόλης µε µοριακό βάρος είναι 55 C. Η πολυαιθυλενογλυκόλη κρυσταλλοποιεί τα αργιλικά δείγµατα καθώς διαθέτει υψηλό ιξώδες και διεισδύει στην εδαφική µάζα σταδιακά, αποκαθιστώντας το νερό χωρίς να µεταβάλει τον όγκο του δοκιµίου και χωρίς να διαταράσσει τη διάταξη των εδαφικών σωµατιδίων. Η τεχνική αυτή χρησιµοποιήθηκε αρχικά στη συντήρηση ξύλινων αντικειµένων που ανελκύονταν από ναυάγια και είχαν εµποτιστεί πλήρως µε νερό. Χαρακτηριστικό παράδειγµα εφαρµογής αυτής της µεθόδου σε µεγάλη κλίµακα είναι η συντήρηση που υποβλήθηκε το σουηδικό πολεµικό πλοίο Vassa από το βυθό της βαλτικής. Στον τοµέα της Εδαφοµηχανικής για την παρασκευή λεπτών τοµών η µέθοδος αυτή αναφέρεται καταρχήν από τον

113 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 80 Tsalenko (1967). Επειδή οι πόροι του αέρα πληρώνονται δύσκολα µε πολυαιθυλενογλυκόλη, για την επιτυχή κρυσταλλοποίηση του δοκιµίου απαιτείται υψηλός βαθµός κορεσµού. Σε διαφορετική περίπτωση το κρυσταλλοποιηµένο δοκίµιο παρουσιάζει αυξηµένη συµπιεστότητα δυσχεραίνοντας έτσι την κοπή του για τη δηµιουργία των λεπτών τοµών. Γενικά, τα δοκίµια από αργιλικά δείγµατα είναι συµπιεστά µε αποτέλεσµα η κοπή τους να απαιτεί εξειδικευµένο εξοπλισµό. Η κοπή των τεµαχίων των δειγµάτων και η διαµόρφωση των λεπτών τοµών για την παρατήρηση της δοµής τους έγινε στο εργαστήριο του Ινστιτούτου Γεωλογικών Μεταλλευτικών ερευνών της Αθήνας (ΙΓΜΕ). Η κάθε λεπτή τοµή τοποθετήθηκε ανάµεσα σε δύο γυάλινες πλάκες. Επιπλέον, για την παρατήρηση των λεπτών τοµών στο ηλεκτρονικό µικροσκόπιο απαιτείται τέλεια αγωγιµότητά τους. Για το λόγο αυτό προηγείται εξάχνωση σε κενό ενός αγώγιµου υλικού που στην περίπτωση αυτή είναι άνθρακας που προκύπτει από µία διάταξη βολταϊκού τόξου. Το πάχος της επικάλυψης µε άνθρακα δε ξεπερνά τα 200Å, ώστε να εξασφαλίζεται η ιδανική αγωγιµότητα χωρίς να επηρεάζεται η ευαισθησία του οργάνου. Η επανθράκωση έγινε µε εξαχνωτή κενού τύπου JEOL-4X Παρατήρηση της µικροδοµής Για την παρατήρηση των λεπτών τοµών χρησιµοποιήθηκαν πολωτικό και ηλεκτρονικό µικροσκόπια. Τα δύο όργανα είναι εγκατεστηµένα στο ιατµηµατικό Εργαστήριο Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας του Α.Π.Θ. Το πολωτικό µικροσκόπιο (polarizing microscope, Carl zeiss Cottingen), το οποίο λειτουργεί µε τη µέθοδο αντανάκλασης φωτός (transmitted light), έχει ενσωµατωµένη ψηφιακή φωτογραφική κάµερα υψηλής ανάλυσης. Το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο (Scanning Electron Microscope, S.E.M., JEOL JSM 840A) φέρει σύστηµα µικροαναλυτή (Energy Dispersive Spectrometer, E.D.S.) OXFORD INCA. Ο ηλεκτρονικός µικροαναλυτής αποτελείται από ένα ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης (SEM) το οποίο σαρώνει την επιφάνεια του δείγµατος και ένα φασµατόµετρο ενεργειακής διασποράς (EDS) το οποίο ανιχνεύει και µετράει πολλές ταυτόχρονα

114 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 81 χαρακτηριστικές ακτινοβολίες. Η αρχή λειτουργίας της ηλεκτρονικής µικροανάλυσης στηρίζεται στην ανίχνευση και µέτρηση της χαρακτηριστικής ακτινοβολίας Χ που παράγεται από την πρόσπτωση µιας υψηλής ενέργειας και καλά εστιασµένης δέσµης ηλεκτρονίων πάνω στο προς ανάλυση δείγµα. Κατά την πρόσπτωση της δέσµης, εκτός από την ακτινοβολία Χ, εκπέµπονται δευτερογενή και οπισθοσκεδαζόµενα ηλεκτρόνια από την επιφάνεια του δείγµατος. Τα δευτερογενή ηλεκτρόνια εκπέµπονται κοντά στην επιφάνεια του δείγµατος και απεικονίζουν τη µορφολογία της επιφάνειας. Τα οπισθοσκεδαζόµενα ηλεκτρόνια εκπέµπονται από µεγαλύτερο βάθος και το ποσοστό τους εξαρτάται από τον ατοµικό αριθµό των ατόµων του δείγµατος. Εποµένως, η αλλαγή του ποσοστού των οπισθοσκεδαζόµενων ηλεκτρονίων εµφανίζει διαφοροποίηση στην εικόνα ανάλογα µε τον ατοµικό αριθµό των στοιχείων του δείγµατος. Έτσι, οι βαρύτερες φάσεις θα φαίνονται πιο φωτεινές από τις ελαφρύτερες. Με αυτό τον τρόπο εξάγονται πληροφορίες για την ορυκτολογική σύσταση κάθε απεικονιζόµενου σωµατιδίου. Η εικόνα από το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο εµφανίζεται σε απόχρωση του γκρι. Οι συνθήκες µικροανάλυσης κατά τη διάρκεια των παρατηρήσεων ήταν οι παρακάτω: Τάση λειτουργίας: 20kV Ρεύµα δέσµης: 0,4mA Χρόνος ανάλυσης: 80s ιάµετρος δέσµης ηλεκτρονίων: ~ 1µm Οι φωτογραφίες της µικροδοµής των δειγµάτων που ελήφθησαν στο πολωτικό και ηλεκτρονικό µικροσκόπιο παρουσιάζονται στο Παράρτηµα.

115 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 82

116 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 83 Πίνακας 3.1 Πρώιµες συσκευές στρεπτικής διάτµησης (Bishop et al., 1971) ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΙΑΤΜΗΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΤΥΠΟΣ ΟΚΙΜΙΟΥ ΑΝΑΦΟΡΑ Κυκλική Συµπαγής κύλινδρος, κάθετα φορτισµένος, περιστροφή της κάτω πλάκας A.S.C.E. (1917) Κυκλική Συµπαγής κύλινδρος, κάθετα φορτισµένος, περιστρεφόµενη άνω πλάκα Streck (1928) &, Franzius et al. (1929), (see Hvorslev, 1939) Κυκλική Συµπαγής κύλινδρος, κάθετα φορτισµένος, περιστρεφόµενη άνω πλάκα Langer (1938), (see Hvorslev, 1939) Κυκλική Συµπαγής δίσκος, κάθετα φορτισµένος, περιστρεφόµενη άνω πλάκα Sembenelli & Ramirez (1968), La Gatta(1970) ακτυλιοειδής Συµπαγής δίσκος, κάθετα φορτισµένος δακτυλιοειδής πλάκα περιστροφής (κάτω) Tiedemann (1937), (see Hvorslev, 1939) Πίνακας 3.1 (συνέχεια)

117 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 84 ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΙΑΤΜΗΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΤΥΠΟΣ ΟΚΙΜΙΟΥ ΑΝΑΦΟΡΑ Κυκλική Συµπαγής δίσκος, κάθετα φορτισµένος, δακτυλιοειδής πλάκα περιστροφής (άνω) Ghani (1966) Κύλινδρος Κύλινδρος µε διάκενο, ακτινικά φορτισµένος, περιστρεφόµενος Casagrande & U.S. Engineer Office, Boston, Mass. (see Hvorslev, 1939) ακτυλιοειδής Χωρίς διαχωριστικούς πλαϊνούς δακτυλίους, κάθετα φορτισµένος περιστρεφόµενος δακτύλιος Cooling & Smith (1935, 1936) ακτυλιοειδής ακτυλιοειδής δίσκος, κάθετα φορτισµένος & περιστρεφόµενος Gruner & Haefeli (1934), Haefeli (1938), (see Hvorslev, 1939) ακτυλιοειδής ακτυλιοειδής δίσκος, κάθετα φορτισµένος & περιστρεφόµενος Tiedemann (1937), (see Hvorslev, 1939) ακτυλιοειδής ακτυλιοειδής δίσκος, κάθετα φορτισµένος & περιστρεφόµενος Hvorslev (1937,1939), Hvorslev & Kaufman (1952), Herrmann & Wolfskill (1966)

118 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 85 Πίνακας 3.1 (συνέχεια) ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΙΑΤΜΗΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΤΥΠΟΣ ΟΚΙΜΙΟΥ ΑΝΑΦΟΡΑ ακτυλιοειδής ακτυλιοειδής δίσκος, κάθετα φορτισµένος & περιστρεφόµενος La Gatta (1970) ακτυλιοειδής ακτυλιοειδής δίσκος, κάθετα φορτισµένος & περιστρεφόµενος Novosad (1964) ακτυλιοειδής ακτυλιοειδής δίσκος, κάθετα φορτισµένος & περιστρεφόµενος Carr & Walker (1968) ακτυλιοειδής ακτυλιοειδής δίσκος, κάθετα φορτισµένος & περιστρεφόµενος Scarlett & Todd (1968)

119 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 86 Πίνακας 3.2 Κύρια χαρακτηριστικά συσκευών περιστροφικής διάτµησης δακτυλίου του Πανεπιστηµίου του Κιότο (DPRI: Disaster Research Institute). ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ DPRΙ-3 DPRΙ-4 DPR-1-5 DPR-1-6 DPRΙ-7 Εσωτερική διάµετρος (cm) 21,1 21,1 12,1 25,1 27,1 Εξωτερική διάµετρος (cm) 31,1 29,1 18,1 35,1 35,1 Μέγιστο ύψος δοκιµίου (cm) 9,1 9,5 11,5 15,0 11,5 Ύψος δοκιµίου/ Πάχος δοκιµίου 1,8 2,38 3,83 3,1 2,88 Επιφάνεια διάτµησης (m 2 ) 408,41 314,16 141,37 471,24 389,56 Μέγιστη ορθή τάση (kpa) Μέγιστη ταχύτητα διάτµησης (mm/min) Συχνότητα επιβολής ανακυκλιζόµενης φόρτισης (Hz) Αναφορά (30) (18) (10) (224) (300) 0, Sassa (1992) Sassa (1996) Sassa (1997) Sassa (1997) Sassa (2007)

120 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 87 Σχήµα 3.1 Γενική διάταξη της συσκευής διάτµησης δακτυλίου

121 Κεφάλαιο 3: Εργαστηριακές δοκιµές και µέθοδοι 88 Σχήµα 3.2 ιαµήκης τοµή που δείχνει τη σύνδεση φόρτισης και το βραχίονα ροπής IC-NGI