Μέτρα για την Προστασία Επιχωμάτων έναντι Επιφανειακής Τεκτονικής ιάρρηξης με xρήση Γεωσυνθετικών Υλικών

Transcript

1 Μέτρα για την Προστασία Επιχωμάτων έναντι Επιφανειακής Τεκτονικής ιάρρηξης με xρήση Γεωσυνθετικών Υλικών Mitigation Μeasures for Soil Embankments against Fault Rupture using Geosynthetics ΖΑΝΙΑ, Β. ρ. Πολιτικός Μηχανικός, Πολυτεχνείο Κρήτης ΤΣΟΜΠΑΝΑΚΗΣ, Ι. ρ. Πολιτικός Μηχανικός, Αναπληρωτής Καθηγητής, Πολυτεχνείο Κρήτης ΨΑΡΡΟΠΟΥΛΟΣ, Π.Ν. ρ. Πολιτικός Μηχανικός, Αναπλ. Καθηγητής (Π 47), Σχολή Ικάρων ΜΠΟΥΚΟΒΑΛΑΣ, Γ. ρ. Πολιτικός Μηχανικός, Καθηγητής, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην παρούσα εργασία διερευνάται η ικανότητα των γεωσυνθετικών υλικών να χρησιμοποιηθούν για την προστασία ενός επιχώματος έναντι επιβαλλόμενων παραμορφώσεων λόγω τεκτονικής διάρρηξης. Για τον σκοπό αυτό διεξάγονται παραμετρικές αριθμητικές αναλύσεις όπου οι εξεταζόμενες παράμετροι αποτελούνται από τις μηχανικές ιδιότητες του γεωσυνθετικού υλικού, το πλήθος των απαιτούμενων γεωσυνθετικών, το πάχος της εδαφικής στρώσης εντός της οποίας τοποθετούνται, καθώς και το εύρος της επιβαλλόμενης μετακίνησης. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων δείχνουν ότι τα προτεινόμενα μέτρα μπορούν να είναι αποτελεσματικά στην αντιμετώπιση μόνιμων εδαφικών παραμορφώσεων. ABSTRACT : In the current study the ability of geosynthetics to reduce the permanent deformations developed due to a fault rupture propagation in a soil embankment is investigated. For this purpose parametric numerical analyses were performed and the effect of the material properties of the geosynthetics, the number of the reinforcements, the height of the soil layer and the applied fault displacement was examined. The results which were obtained from this investigation indicate that the proposed configurations of reinforced soil can be efficiently used in order to reduce the permanent deformations developed due to an abrupt fault rupture. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η σεισμική καταπόνηση οποιασδήποτε κατασκευής μπορεί να προκύψει ως αποτέλεσμα μίας ή και των δύο πρωτογενών συνεπειών εκδήλωσης ενός σεισμικού γεγονότος, δηλαδή της μετακίνησης ενός ενεργού ρήγματος και της διάδοσης των σεισμικών κυμάτων. Η πρώτη σχετίζεται με την ανάπτυξη μόνιμων εδαφικών παραμορφώσεων που προκαλούνται λόγω της διάδοσης της τεκτονικής διάρρηξης. Σε αρκετούς σύγχρονους, αλλά και παλαιότερους σεισμούς, έχει παρατηρηθεί ότι πολλές κατασκευές, όπως για παράδειγμα αγωγοί, γέφυρες, επιχώματα αλλά και κτιριακά έργα, εμφανίζουν αυξημένη τρωτότητα έναντι μεγάλων επιβαλλόμενων μετακινήσεων οι οποίες αναπτύσσονται κατά τη διάρρηξη ενός ρήγματος (Bray and Kelson, 26, Bray, 21 και Kelson et al., 21). Πιο συγκεκριμένα, έπειτα απο τον σεισμό του San Fransisco (196, Καλιφόρνια) τα επιχώματα μικρότερου ύψους είχαν πιο έντονες μόνιμες παραμορφώσεις εν συγκρίσει με τα αντίστοιχα μεγαλύτερου ύψους λόγω της δυσμενούς επίδρασης του ρήγματος οριζόντιας ολίσθησης (Bray and Kelson, 26). Ένα από τα πιο σημαντικά θέματα που σχετίζονται με την τεκτονική διάρρηξη είναι ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών της διάδοσής τους εντός των επιφανειακών εδαφικών αποθέσεων. ιάφορες μελέτες έχουν βοηθήσει στην κατανόηση του μηχανισμού διάδοσης των ρηγμάτων, σύμφωνα με τις οποίες οι κυριότερες παράμετροι που επηρεάζουν τη συμπεριφορά αυτή σχετίζονται με τα χαρακτηριστικά του ρήγματος (τύπος, γωνία βύθισης και μέγεθος της μετακίνησης) και τις μηχανικές ιδιότητες του εδάφους (τύπος 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 1

2 εδάφους, γωνία εσωτερικής τριβής και πάχος του εδαφικού σχηματισμού). Ιδιαίτερα διαδεδομένη είναι η χρήση αριθμητικών μεθόδων για την εξέταση του μηχανισμού της σεισμικής διάρρηξης. Οι δημοσιευμένες εργασίες με χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων (Bray et al., 1994, Lin et al., 26, Athanasopoulos et al., 27 και Anastasopoulos et al., 27) και της μεθόδου των πεπερασμένων διαφορών (Papadimitriou et al., 27) έχουν αποδείξει ότι η σωστή εφαρμογή τους απαιτεί την ικανοποιητική προσομοίωση της μη-γραμμικής συμπεριφοράς του εδάφους, πυκνή διακριτοποίηση και ικανό μέγεθος καννάβου για ελαχιστοποίηση της επίδρασης των συνόρων. Οι Bray et al. (1994) απέδειξαν ότι η διάδοση ανάστροφων ρηγμάτων σε αργιλικά εδάφη συνοδεύεται από κάμψη της επιφάνειας του ανερχόμενου τεμάχους προς το κατερχόμενο και επιπλέον ότι το ύψος της αναπτυσσόμενης ζώνης διάτμησης εξαρτάται από την τιμή της παραμόρφωσης αστοχίας. Επίσης αναφέρεται ότι απαιτούνται μικρότερες σχετικές μετακινήσεις για τη διάδοση της σεισμικής διάρρηξης στην περίπτωση κανονικού ρήγματος ή πυκνής άμμου από ότι στην περίπτωση ανάστροφου ρήγματος ή χαλαρής άμμου, αντίστοιχα (Anastasopoulos et al., 27). Επιπροσθέτως, έχει διαπιστωθεί ότι στα ανάστροφα ρήγματα η απαιτούμενη σχετική μετακίνηση για την επιφανειακή εκδήλωση του ρήγματος αυξάνεται καθώς μειώνεται η γωνία βύθισης του ρήγματος, και ότι τα αντίστοιχα μεγέθη σε αργίλους είναι κατά πολύ μικρότερα από ότι σε πυκνές άμμους, και είναι συγκρίσιμα με τα αποτελέσματα σε χαλαρές άμμους (Papadimitriou et al., 27). Στην ίδια εργασία εξετάστηκε και η επίδραση του πάχους της εδαφικής στρώσης. Παρατηρήθηκε ότι καθώς μεγαλώνει το πάχος της εδαφικής στρώσης, το εύρος της ζώνης σημαντικών παραμορφώσεων αλλά και η τιμή της μετακίνησης για την επιφανειακή εκδήλωση του ρήγματος (κανονικοποιημένα ως προς το πάχος της εδαφικής στρώσης) αυξάνονται. Ο πιο διαδεδομένος τρόπος αντιμετώπισης των δυσμενών συνεπειών της τεκτονικής διάρρηξης σε μια κατασκευή είναι η αποφυγή της διασταύρωσης με αυτήν ή η τήρηση κάποιων αποστάσεων ασφαλείας από το επιφανειακό ίχνος της. Όμως, αφενός η πρακτική αυτή μπορεί να εμποδίσει την ανάπτυξη περιοχών όπου υφίστανται ήδη χαρτογραφημένα ρήγματα, και αφετέρου σε αστικές περιοχές είναι πιθανό να μην είναι εφικτή η αποφυγή της γειτνίασης με κάποιο ενεργό ρήγμα. Τη δυσχέρεια αποφυγής ενεργών ρηγμάτων ενισχύουν οι αβεβαιότητες στον εντοπισμό τους. Υπό αυτό το πρίσμα, διερευνήθηκε η χρήση εδαφικού επιχώματος (οπλισμένου ή μη) για την αντιμετώπιση της διάδοσης ρήγματος (Bray, 21). Οι αριθμητικές αναλύσεις πεπερασμένων στοιχείων έδειξαν ότι ο γεωσυνθετικός οπλισμός συνετέλεσε στη μείωση των επιφανειακών παραμορφώσεων και την εξάπλωσή τους σε πιο ευρεία ζώνη. Με έναυσμα τα ενθαρρυντικά αυτά αποτελέσματα, εξετάζεται στην παρούσα εργασία η αποτελεσματικότητα του οπλισμένου εδάφους στη μείωση των μόνιμων εδαφικών παραμορφώσεων λόγω τεκτονικής διάρρηξης. Για τον σκοπό αυτό εξετάζονται διατάξεις ενίσχυσης με διάφορους συνδυασμούς των βασικών παραμέτρων: το πάχος του τεχνητού επιχώματος, το πλήθος καθώς και το μέτρο εφελκυσμού των γεωσυνθετικών οπλισμών. Επιπροσθέτως, μελετάται η επίδραση του υπερκειμένου φορτίου στις αναπτυσσόμενες εδαφικές παραμορφώσεις εντός του οπλισμένου επιχώματος λόγω της τεκτονικής διάρρηξης. 2. ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΗ ΕΠΙΧΩΜΑΤΩΝ ΛΟΓΩ ΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ ΙΑΡΡΗΞΗΣ Αρχικά εξετάζεται η καταπόνηση επιχωμάτων λόγω επιβαλλόμενων μετακινήσεων κατά τη διάρρηξη ενός κανονικού και ενός ανάστροφου ρήγματος. Σκοπός της διερεύνησης είναι αφενός να εντοπιστούν οι μηχανισμοί που διέπουν τη διάδοση των δύο τύπων ρηγμάτων και αφετέρου να καταστεί σαφής η αναγκαιότητα προστασίας των επιχωμάτων. Στο Σχήμα 1 απεικονίζονται οι ισομεγέθεις των πλαστικών παραμορφώσεων που αναπτύσσονται εντός του εξεταζόμενου επιχώματος για την περίπτωση κανονικού και ανάστροφου ρήγματος. Από τα αποτελέσματα της αριθμητικής ανάλυσης παρατηρείται ότι η μορφή της επιφάνειας αστοχίας, όσον αφορά στην διάδοση τόσο κανονικού όσο και ανάστροφου ρήγματος, έχει παρόμοια χαρακτηριστικά με αυτά που αναφέρονται στη βιβλιογραφία για τη διάδοση ρηγμάτων εντός επιφανειακών εδαφικών αποθέσεων (Bray et al., 1994, Athanasopoulos et al., 27, Anastasopoulos et al., 27 και Papadimitriou et al., 27). Πιο συγκεκριμένα, στην 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 2

3 περίπτωση κανονικού ρήγματος αναπτύσσεται μια δευτερογενής επιφάνεια αστοχίας και ακολούθως ένα «κατακρήμνισμα» στην επιφάνεια του επιχώματος. Για την περίπτωση ανάστροφου ρήγματος παρατηρείται κάμψη του ανερχόμενου τεμάχους προς το κατερχόμενο. Επίσης διαπιστώθηκε ότι μικρότερη σχετική μετακίνηση απαιτείται για την πλήρη διάδοση του κανονικού ρήγματος (.4%) έως την επιφάνεια του επιχώματος συγκριτικά με την περίπτωση ανάστροφου ρήγματος (1.3%). Ακολούθως εξετάζεται η δυνατότητα περιορισμού της δυσμενούς επίδρασης της τεκτονικής διάρρηξης σε ένα εδαφικό επίχωμα. (α) 45 o 45 o (β) Σχήμα 1. Απεικόνιση των επιφανειών αστοχίας λόγω διάδοσης ρήγματος εντός επιχώματος όπως προέκυψαν για: (α) κανονικό ρήγμα, και (β) ανάστροφο ρήγμα 45 ο. Figure 1. Illustration of the failure surfaces developed within a soil embankment due to the rupture of a: (a) normal fault and (b) reverse fault of 45 o. 3. ΑΝΑΛΥΣΗ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ Ε ΑΦΟΥΣ ΕΝΑΝΤΙ ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΕΩΝ ΡΗΓΜΑΤΟΣ 3.1 Μεθοδολογία αριθμητικής παραμετρικής διερεύνησης Τα αριθμητικά προσομοιώματα υλοποιήθηκαν στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS (24), και περιελάμβαναν τις εξής διαφορετικές διατάξεις: (α) πάχος εδαφικής στρώσης 2m, με μία και τρείς στρώσεις οπλισμού, (β) πάχος εδαφικής στρώσης 3m, με μία, δύο και πέντε στρώσεις οπλισμού, και (γ) πάχος εδαφικής στρώσης 5m, με μία και τέσσερις στρώσεις οπλισμού. Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται ενδεικτικά το προσομοίωμα που αναπτύχθηκε για την ανάλυση ενός οπλισμένου επιχώματος πάχους 3m με πέντε γεωσυνθετικούς οπλισμούς. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 2, η προσομοίωση αφορά μόνο στο οπλισμένο «υπόγειο» τμήμα του επιχώματος το οποίο αποτελεί και το εφαρμοζόμενο μέτρο προστασίας, ενώ η επίδραση του επιχώματος θεωρείται ότι αντιπροσωπεύεται από επιβαλλόμενο φορτίο. Η κατανομή των οπλισμών καθ ύψος έγινε θεωρώντας σταθερή απόσταση διανομής. Όσον αφορά στις μηχανικές ιδιότητες των υλικών, θεωρήθηκε ότι το εδαφικό υλικό του τεχνητού επιχώματος είναι πυκνή άμμος με εσωτερική γωνία τριβής ίση με 45 ο και γωνία διαστολικότητας 15 ο, ενώ οι αντίστοιχες απομένουσες τιμές τους είναι 3 ο και ο και αναπτύσσονται για τιμή της πλαστικής διατμητικής παραμόρφωσης ίσης με 1%. Η συμπεριφορά της χαλάρωσης του εδαφικού υλικού προσομοιώθηκε αριθμητικά με την εφαρμογή κατάλληλης υπορουτίνας που αναπτύχθηκε και ενσωματώθηκε στη συνέχεια στο λογισμικό ABAQUS. Τα γεωπλέγματα που τοποθετούνται στο επίχωμα θεωρείται ότι αποτελούν τους γεωσυνθετικούς οπλισμούς με τέμνον μέτρο εφελκυσμού που ισούται με 5KN/m, 1 KN/m και 19 KN/m το οποίο αντιστοιχεί σε εφελκυστική παραμόρφωση ίση με 5%. Οι παραπάνω τιμές καλύπτουν επαρκώς το εύρος τιμών που αναφέρεται στις τεχνικές προδιαγραφές μονοαξονικών γεωπλεγμάτων. Η επιλογή αυτή βασίζεται στη σημαντική εφελκυστική αντοχή που διαθέτουν, γεγονός που επιτρέπει τον ασφαλή σχεδιασμό του οπλισμένου επιχώματος ακόμη και υπό συνθήκες έντονης καταπόνησης. Εξαιτίας των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των γεωπλεγμάτων, και κυρίως λόγω της παθητικής αντίστασης που αναπτύσσεται στα πληρωμένα με εδαφικό υλικό κενά, η διατμητική αντοχή στη διεπιφάνεια προσεγγίζει την αντίστοιχη του εδαφικού υλικού (Koerner, 1994). Συνεπώς, κατά την αριθμητική προσομοίωση δεν αναπτύχθηκε διεπιφάνεια πεπερασμένης διατμητικής αντοχής εκατέρωθεν των πλευρών των γεωπλεγμάτων, αντιθέτως προσομοιώθηκε πλήρης συμβατότητα των μετακινήσεων των δύο μέσων. Οι υπόλοιπες παραδοχές της αριθμητικής προσομοίωσης, δηλαδή η απόσταση των πλευρικών συνόρων και η διακριτοποίηση του καννάβου, επιλέχθηκαν ως εξής: η πρώτη πενταπλάσια της εκάστοτε τιμής του ύψους και το δε μέγεθος των πεπερασμένων στοιχείων ίσο με.1m. Με τον τρόπο αυτό αφενός ελαχιστοποιείται η επίδραση των συνόρων της εδαφικής στρώσης, αφετέρου υπολογίζονται οι αναπτυσσόμενες παραμορφώσεις με μεγαλύτερη ακρίβεια λόγω του πυκνού καννάβου. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 3

4 h=3m D=15m Σχήμα 2. Απεικόνιση του προσομοιώματος πεπερασμένων στοιχείων που αναπτύχθηκε για την ανάλυση ενός οπλισμένου επιχώματος πάχους 3m με πέντε γεωσυνθετικούς οπλισμούς. Figure 2. Illustration of the finite element model developed to analyze the behaviour of a 3m reinforced soil embankment containing five reinforcement layers. 3.2 Επίδραση του πάχους της εδαφικής στρώσης Αρχικά, εξετάζεται η επίδραση του πάχους της εδαφικής στρώσης για τις περιπτώσεις μη οπλισμένου εδάφους και επιχώματος με μία στρώση γεωσυνθετικού οπλισμού. Στο Σχήμα 3 παρουσιάζονται οι κατανομές της κανονικοποιημένης (ως προς το πάχος της εδαφικής στρώσης) κατακόρυφης μετακίνησης συναρτήσει της κανονικοποιημένης (ως προς το πάχος της εδαφικής στρώσης) οριζόντιας παραμορφωμένης θέσης, για τις τρεις εξεταζόμενες περιπτώσεις πάχους του τεχνητού επιχώματος. Με τον τρόπο αυτό ουσιαστικά απεικονίζεται η παραμορφωμένη επιφάνεια του οπλισμένου επιχώματος. Από τα αποτελέσματα των αριθμητικών αναλύσεων προέκυψε ότι η απαιτούμενη κατακόρυφη συνιστώσα της μετακίνησης για την επιφανειακή εκδήλωση του ρήγματος αυξάνεται από 2.5cm σε 3.3cm και 4.cm, για αντίστοιχη μεταβολή του πάχους της εδαφικής μη οπλισμένης στρώσης από 2m σε 3m και 5m. Η προσθήκη μίας στρώσης γεωσυνθετικού οπλισμού αυξάνει την απαιτούμενη κατακόρυφη συνιστώσα της μετακίνησης για την επιφανειακή εκδήλωση του ρήγματος μόνο για την περίπτωση της εδαφικής στρώσης πάχους 2m, σε 4.5cm. Επίσης για το ίδιο πάχος στρώσης παρατηρείται στο Σχήμα 3 ότι η συμβολή της προσθήκης της στρώσης γεωσυνθετικού οπλισμού στις υπολογισθείσες επιφανειακές μετακινήσεις είναι ιδιαίτερα σημαντική. Ακόμα και για μικρά επίπεδα μετακινήσεων φαίνεται ότι μία στρώση οπλισμού δύναται να μειώσει την επιφανειακή παραμόρφωση, γεγονός που προκύπτει από την πιο ήπια κλίση στις περιοχές επιφανειακής εκδήλωσης των δύο επιφανειών αστοχίας και τη μικρότερη κατακόρυφη μετακίνηση στην περιοχή του κατακρημνίσματος. Τα ίδια χαρακτηριστικά εντοπίζονται σε πολύ μικρότερο βαθμό και μόνο για μεγαλύτερα επίπεδα επιβαλλόμενων μετακινήσεων για την περίπτωση τεχνητού επιχώματος πάχους 3m. Περαιτέρω αύξηση του πάχους της εδαφικής στρώσης ενισχύει την ευνοϊκή επίδραση του γεωσυνθετικού οπλισμού d/h=% H = 2m d/h=% H = 3m d/h=% H = 5m άμμος 1 οπλ Σχήμα 3. Κατανομή της κανονικοποιημένης κατακόρυφης μετακίνησης () συναρτήσει του παραμορφωμένου φορέα (), για διάφορα επίπεδα της κανονικοποιημένης κατακόρυφης συνιστώσας της μετακίνησης ως προς το ύψος (d/h). Figure 3. Variation of the normalized vertical soil displacement () with respect to the (), for several values of normalized fault vertical displacement. Σημειώνεται ότι τα αποτελέσματα του Σχήματος 3 παρατίθενται κανονικοποιημένα ως προς το πάχος της εδαφικής στρώσης. Η σκοπιμότητα αυτής της επιλογής είναι η διερεύνηση της πιθανής αδιαστατοποίησης των αναπτυσσόμενων επιφανειακών μετακινήσεων σε σχέση με το πάχος της εδαφικής 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 4

5 στρώσης. Γίνεται αντιληπτό όμως ότι τόσο για το μη οπλισμένο επίχωμα όσο και για την περίπτωση τοποθέτησης μίας στρώσης γεωσυνθετικού οπλισμού οι κανονικοποιημένες μετακινήσεις εξαρτώνται από το πάχος της εδαφικής στρώσης. ηλαδή, για την περίπτωση μη οπλισμένου τεχνητού επιχώματος και εξετάζοντας το ίδιο επίπεδο κανονικοποιημένης κατακόρυφης συνιστώσας της μετακίνησης ως προς το ύψος, παρατηρείται ότι οι επιφανειακές παραμορφώσεις μειώνονται καθώς το ύψος αυξάνεται από 2m σε 3m, ενώ το αντίθετο ισχύει για περαιτέρω αύξηση του ύψους σε 5m. Αυτή η παρατήρηση υποδεικνύει ότι, ο μηχανισμός ανάπτυξης πλαστικών παραμορφώσεων διαφέρει για κάθε εξεταζόμενη περίπτωση καθώς σχετίζεται και με το απόλυτο μέγεθος της επιβαλλόμενης μετακίνησης. όπου η κλίση της παραμορφωμένης επιφάνειας μειώνεται σημαντικά. (α) (β) d/h=% d/h=% 3.3 Επίδραση του υπερκείμενου φορτίου -.6 P = 2kN P = kn Στην ενότητα αυτή εξετάζεται η επίδραση του υπερκείμενου φορτίου στη διαδικασία διάδοσης του ρήγματος εντός του οπλισμένου επιχώματος ύψους 2m και για την περίπτωση χρήσης ενός και τριών γεωσυνθετικών οπλισμών. Όπως έχει ήδη αναφερθεί το υπερκείμενο φορτίο υποκαθιστά την κατασκευή (επίχωμα). Στο Σχήμα 4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για τη διάδοση ρήγματος θεωρώντας φορτίο στην επιφάνεια του τεχνητού επιχώματος είτε ίσο με 2kN/m, είτε μηδενικό. Αρχικά υφίσταται η διαφορά των επιφανειακών μετακινήσεων που προκύπτει λόγω της αναπτυσσόμενης κατακόρυφης μετακίνησης από την επιβολή του φορτίου, η οποία αντιστοιχεί στη διαφορά μεταξύ των δύο περιπτώσεων που παρατηρείται για d/h=%. Επίσης οι επιφανειακές μετακινήσεις που οφείλονται αποκλειστικά στη διάδοση της τεκτονικής διάρρηξης μεταβάλλονται ως αποτέλεσμα του επιφανειακού φορτίου. Πιο συγκεκριμένα, για την περίπτωση ενός γεωσυνθετικού οπλισμού εντός της εδαφικής στρώσης (Σχήμα 4α), η μείωση του υπερκείμενου φορτίου συμβάλλει στη μείωση των αναπτυσσόμενων επιφανειακών παραμορφώσεων στην περιοχή της εκδήλωσης των δύο επιφανειών αστοχίας. Ιδιαίτερα σημαντική είναι η επίδραση της μείωσης του υπερκείμενου φορτίου στις επιφανειακές παραμορφώσεις της περιοχής ανάπτυξης της δευτερεύουσας επιφάνειας, Σχήμα 4. Κατανομή της κανονικοποιημένης κατακόρυφης μετακίνησης () συναρτήσει του παραμορφωμένου φορέα (), για οπλισμένο επίχωμα πάχους 2m και: (α) εφαρμογή ενός γεωσυνθετικού οπλισμού, και (β) εφαρμογή τριών γεωσυνθετικών οπλισμών. Figure 4. Variation of the normalized vertical soil displacement () with respect to the () for a reinforced soil layer of thickness equal to 2m with one reinforcement (a) and three reinforcements (b). Σε άμεση αντιπαράθεση στο Σχήμα 4β παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα για την εφαρμογή τριών γεωσυνθετικών οπλισμών. Παρατηρείται αρχικά ότι σε σύγκριση με την περίπτωση ενός οπλισμού, η εφαρμογή τριών γεωσυνθετικών οπλισμών συντελεί σε μείωση των αναπτυσσόμενων παραμορφώσεων στην επιφάνεια για την περίπτωση που υφίσταται επιφανειακό φορτίο. Αντίστοιχα, λόγω της βελτιωμένης συμπεριφοράς αποφεύγεται και η ανάπτυξη κατακρημνίσματος. Αντιθέτως, για την περίπτωση μηδενικού επιφανειακού φορτίου η περιοχή ανάπτυξης σημαντικών παραμορφώσεων μειώνεται με αποτέλεσμα η επιφανειακή κλίση να αυξηθεί σημαντικά. Επιπλέον, η απαιτούμενη κατακόρυφη συνιστώσα της μετακίνησης του ρήγματος που 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 5

6 απαιτείται για την επιφανειακή εκδήλωσή του αυξάνεται κατά.5cm και κατά 1cm για την εφαρμογή ενός και τριών οπλισμών, αντίστοιχα, λόγω του μηδενικού φορτίου. 3.4 Επίδραση του πλήθους των οπλισμών Από την προηγηθείσα ανάλυση προέκυψε ότι η αύξηση του αριθμού των γεωσυνθετικών οπλισμών που τοποθετούνται εντός εδαφικής στρώσης πάχους 2m, έχει ευεργετική επίδραση στην απομείωση των αναπτυσσόμενων επιφανειακών παραμορφώσεων λόγω της διάδοσης του ρήγματος. Αντίστοιχη είναι η συμπεριφορά και για τις περιπτώσεις εδαφικών στρώσεων πάχους 3m και 5m. Στις εξεταζόμενες περιπτώσεις για αύξηση των γεωσυνθετικών οπλισμών εντός των τεχνητών επιχωμάτων παρατηρήθηκε αύξηση της απαιτούμενης κατακόρυφης συνιστώσας της μετακίνησης του ρήγματος για την επιφανειακή εκδήλωσή του. Ακολούθως εξετάζεται η επίδραση της ποσότητας των οπλισμών θεωρώντας σταθερή απόσταση διανομής τους, για κάθε εξεταζόμενη περίπτωση εδαφικής στρώσης. Στο Σχήμα 5 παρουσιάζεται η κατανομή της κανονικοποιημένης κατακόρυφης μετακίνησης () συναρτήσει της κανονικοποιημένης οριζόντιας συνιστώσας του παραμορφωμένου φορέα (), για σταθερή απόσταση οπλισμών ίση με 1m σε όλες τις περιπτώσεις τεχνητών επιχωμάτων. Εν γένει, παρατηρείται ικανοποιητική σύγκλιση των αποτελεσμάτων για τις τρείς διαφορετικές περιπτώσεις πάχους της εδαφικής στρώσης. Οι αναπτυσσόμενες επιφανειακές παραμορφώσεις για τις εξεταζόμενες διατάξεις ελαττώνονται σε μικρό βαθμό όμως, καθώς αυξάνεται το πάχος της εδαφικής στρώσης. Σε κάθε περίπτωση η ανάπτυξη εδαφικών παραμορφώσεων είναι εξαιρετικά μειωμένη στην περιοχή όπου αναμενόταν η επιφανειακή εκδήλωση της δευτερεύουσας επιφάνειας αστοχίας. d/h=% d/h=% d/h=% d/h=% H=2m H=3m H=5m Σχήμα 5. Kατανομή της κανονικοποιημένης κατακόρυφης μετακίνησης () συναρτήσει του παραμορφωμένου φορέα (), για οπλισμένο επίχωμα πάχους 2m, 3m και 5m και απόσταση οπλισμών ίση με 1m. Figure 5. Variation of the normalized vertical soil displacement () with respect to the () for a reinforced soil layer of thickness equal to 2m, 3m and 5m. The reinforcement spacing is equal to 1m H=2m H=3m Σχήμα 6. Κατανομή της κανονικοποιημένης κατακόρυφης μετακίνησης () συναρτήσει του παραμορφωμένου φορέα (), για οπλισμένο επίχωμα πάχους 2m, και 3m και απόσταση οπλισμών ίση με.5m. Figure 6. Variation of the normalized vertical soil displacement () with respect to the () for a reinforced soil layer of thickness equal to 2m, 3m and 5m. The reinforcement spacing is equal to.5m. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 6

7 Η ευνοϊκή επίδραση της μείωσης απόστασης των οπλισμών γίνεται εμφανής και στο Σχήμα 6. Στο σχήμα αυτό απεικονίζεται η επιφανειακή παραμόρφωση των τεχνητών επιχωμάτων πάχους 2m και 3m για σταθερή απόσταση οπλισμών ίση με.5m. Αφενός η μείωση των επιφανειακών παραμορφώσεων είναι σημαντική, αφετέρου η σύγκλιση των κανονικοποιημένων αποτελεσμάτων των δύο εξεταζόμενων περιπτώσεων είναι εντυπωσιακή. Το φαινόμενο αυτό πιθανώς αποδίδεται στη μεγαλύτερη ομοιογένεια που αποκτά το επίχωμα λόγω της μικρότερης απόστασης διανομής των οπλισμών. Σε κάθε περίπτωση πάντως τα αποτελέσματα συγκλίνουν στο συμπέρασμα ότι η κανονικοποίηση των εδαφικών παραμορφώσεων συναρτήσει του πάχους της εδαφικής στρώσης είναι εφικτή εφόσον διατηρηθεί σταθερή η απόσταση διανομής των οπλισμών. 3.5 Επίδραση του μέτρου εφελκυσμού των οπλισμών Το μέτρο εφελκυσμού των γεωσυνθετικών οπλισμών είναι μια παράμετρος η οποία παρουσιάζει μεγάλο εύρος, ενώ η εφελκυστική αντοχή του γεωσυνθετικού εξαρτάται από την τιμή του μέτρου εφελκυσμού. Για τον λόγο αυτό εξετάστηκε και η επίδραση της αύξησης του μέτρου εφελκυσμού των γεωσυνθετικών στην ικανότητα των οπλισμένων τεχνητών επιχωμάτων να περιορίσουν τις αναπτυσσόμενες επιφανειακές παραμορφώσεις. Η περίπτωση του οπλισμένου επιχώματος ύψους 2m με έναν και τρεις γεωσυνθετικούς οπλισμούς εξετάστηκε για τρεις περιπτώσεις μέτρου εφελκυσμού, ίσου με 5 KN/m, 1 KN/m και 19 KN/m. Από το Σχήμα 7 γίνεται αντιληπτό ότι η επίδραση της αύξησης του μέτρου εφελκυσμού δεν είναι αντίστοιχη για τις δύο εξεταζόμενες διατάξεις οπλισμού. Πιο συγκεκριμένα, στην περίπτωση ενός οπλισμού η αύξηση του μέτρου εφελκυσμού από 5KN/m σε 1KN/m συντελεί στη μείωση των αναπτυσσόμενων επιφανειακών παραμορφώσεων, ειδικά στην περιοχή επιφανειακής εκδήλωσης της δευτερεύουσας επιφάνειας αστοχίας. Περαιτέρω όμως αύξηση του μέτρου εφελκυσμού σε 19KN/m ενισχύει σε μικρό βαθμό τις επιφανειακές παραμορφώσεις, σε σύγκριση με την περίπτωση που οι οπλισμοί χαρακτηρίζονταν από μέτρο εφελκυσμού ίσο με 1KN/m. (α) (β) d/h=% d/h=% E = 5MPa E = 1MPa E = 19MPa Σχήμα 7. Κατανομή της κανονικοποιημένης κατακόρυφης μετακίνησης () συναρτήσει του παραμορφωμένου φορέα (), για οπλισμένο επίχωμα πάχους 2m και: (α) εφαρμογή ενός γεωσυνθετικού οπλισμού και (β) εφαρμογή τριών γεωσυνθετικών οπλισμών. Figure 7. Variation of the normalized vertical soil displacement () with respect to the () for a reinforced soil layer of thickness equal to 2m with one reinforcement (a) and three reinforcements (b). Αντιθέτως, στην περίπτωση τριών γεωσυνθετικών οπλισμών η αύξηση του μέτρου εφελκυσμού των οπλισμών συντελεί σε περιορισμό της περιοχής ανάπτυξης μεγάλου μεγέθους κανονικοποιημένων κατακόρυφων μετακινήσεων, και συνεπώς σε αύξηση των επιφανειακών παραμορφώσεων, για αντίστοιχα επίπεδα κανονικοποιημένης μετακίνησης του ρήγματος. Απόρροια αυτού του φαινομένου είναι η περιοχή μέγιστης καταπόνησης των οπλισμών να προσεγγίζει αρκετά το ίχνος του ρήγματος. Σημειώνεται ότι ενώ για όλες τις άλλες περιπτώσεις της παραμετρικής διερεύνησης η μέγιστη εφελκυστική τάση εντοπίζεται σε απόσταση ίση με το 25%-3% της στάθμης του οπλισμού, στις περιπτώσεις μέτρου εφελκυσμού ίσου με 1KN/m και 19KN/m του Σχήματος 7β το ποσοστό αυτό μειώνεται στο 1%. Τέλος η καταπόνηση των γεωπλεγμάτων εξαρτάται από το μέγεθος της επιβαλλόμενης 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 7

8 μετακίνησης, αλλά και από το πάχος της εδαφικής στρώσης. Πιο συγκεκριμένα, το εύρος της μέγιστης εφελκυστικής παραμόρφωσης που αντιστοιχεί στη μετακίνηση που προκαλεί την επιφανειακή εκδήλωση του ρήγματος αυξάνει από 3%-7% σε 4.7%-9% και 4%-9% καθώς αυξάνει το πάχος του επιχώματος από 2m σε 3m και 5m αντίστοιχα. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία εξετάστηκε εκτενώς η καταπόνηση ενός οπλισμένου με γεωσυνθετικά επιχώματος λόγω των αναπτυσσόμενων μονίμων παραμορφώσεων κατά τη μετατόπιση ενεργού ρήγματος. Τα αποτελέσματα των αριθμητικών αναλύσεων απέδειξαν ότι η συμμετοχή των γεωσυνθετικών είναι ευεργετική στη μείωση των αναπτυσσόμενων εδαφικών παραμορφώσεων. Πιο συγκεκριμένα, η αποτελεσματικότητα του οπλισμένου επιχώματος στην αντιμετώπιση των δυσμενών επιπτώσεων της τεκτονικής διάρρηξης ενισχύεται για μεγαλύτερο αριθμό οπλισμών. Επίσης, για σταθερή απόσταση οπλισμών η αύξηση του πάχους του οπλισμένου επιχώματος επίσης οδηγεί σε βελτίωση της αποτελεσματικότητας της οπλισμένης γης. Η αύξηση του μέτρου εφελκυσμού είναι ευνοϊκή για τη μείωση των εδαφικών παραμορφώσεων, αλλά μόνο για σχετικά αραιές διατάξεις οπλισμών. Πάντως απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή στην περίπτωση οπλισμών μεγάλης δυσκαμψίας, καθώς η τοποθέτησή τους σε πυκνή διάταξη μπορεί να οδηγήσει σε λιγότερο ευμενή αποτελέσματα. Τέλος, αποδείχτηκε ότι είναι εφικτός ο επαρκής και ασφαλής σχεδιασμός ενός τέτοιου συστήματος καθώς οι μέγιστες εφελκυστικές παραμορφώσεις είναι μικρότερες από το όριο θραύσης των γεωπλεγμάτων. 5. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα εργασία αποτελεί τμήμα του ερευνητικού προγράμματος 3Ε 454, εντεταγμένου στο Πρόγραμμα Ενίσχυσης του Ερευνητικού υναμικού (ΠΕΝΕ ) και συγχρηματοδοτούμενου από εθνικούς και κοινοτικούς πόρους (75% από την Ε.Ε. - Ευρωπαϊκή Κοινοτική Επιχορήγηση και 25% από το Υπουργείο Ανάπτυξης - Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας). 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ABAQUS, (24) Analysis User s Manual Version 6.4, ABAQUS Inc., USA. Anastasopoulos, I., Gazetas, G., Bransby, M.F., Davies, M.C.R., and El Nahas A., (27) Fault rupture propagation through sand: Finite element analysis and validation through centrifuge experiments, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 133(8), Athanasopoulos G., Leonidou, E., and Pelekis, P., (27) Fault-rupture related hazard to engineered structures parametric numerical analyses, in Proceedings of the 4th International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering, Thessaloniki, Greece. Bray J.D., (21) Developing Mitigation Measures for the Hazards Associated with Earthquake Surface Fault Rupture, Workshop on Seismic Fault-Induced Failures Possible Remedies for Damage to Urban Facilities, University of Tokyo Press, Bray, J.D., and Kelson, K.I., (26) Observations of Surface Fault Rupture from the 196 Earthquake in the Context of Current Practice, Earthquake Spectra, 22(2), Bray, J.D., Seed, R.B., and Seed, H.B., (1994) Analysis of earthquake fault rupture propagation through cohesive soil, Journal of Geotechnical Engineering, 12 (3), Kelson, K.I., Kang, K.-H., Page, W.D., Lee, C.- T., and Cluff, L.S., (21) Representative Styles of Deformation along the Chelungpu Fault from the 1999 Chi-Chi (Taiwan) Earthquake: Geomorphic Characteristics and Responses of Man-Made Structures, Bulletin of of the Seismological Society of America, 91(5), Koerner, R.M., (1994) Designing with geosynthetics, Prentice Hall, Third edition. Lin, M.-L., Chung, C.-F., and Jeng, F.-S., (26) Deformation of overburden soil induced by thrust fault slip, Engineering Geology, 88, Papadimitriou, A., Loukidis, D., Bouckovalas, G., and Karamitros, D., (27) Zone of excessive ground surface distortion due to dip-slip fault rupture, in Proceedings of the 4 th International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering, Thessaloniki, Greece. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 8