«Τεχνικά χαρακτηριστικά πετρωμάτων Επίδραση των γεωλογικών χαρακτηριστικών των γεωϋλικών στα τεχνικά έργα»

Transcript

1 ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΠΟΛΙΤΙΚΟΥΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 : «Τεχνικά χαρακτηριστικά πετρωμάτων Επίδραση των γεωλογικών χαρακτηριστικών των γεωϋλικών στα τεχνικά έργα» Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 1

2 3.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι «γεωλογικοί σχηματισμοί» (εδάφη & βράχοι) που αναφέρονται και ως «γεωϋλικά» (geomaterials) μελετώνται και διερευνώνται στα πλαίσια της μελέτης κατασκευής τεχνικών έργων σαν: (1) Υλικά έδρασης (θεμελίωσης) των κατασκευών (2) Υλικά που πρέπει να «εκσκαφτούν» και «αντιστηριχτούν» (π.χ. πρανές, σήραγγα) (3) Υλικά κατασκευής τεχνικών έργων (π.χ. επιχώματα, φράγματα κ.λπ.) (4) Υλικά μέσα ροής (νερού, ρύπανσης, κ.λπ.) (5) Υλικά μέσα διάδοσης μηχανικών κυμάτων (σεισμοί, εκρήξεις, δυναμικά φορτία) Βασική απαίτηση για τη μελέτη και τη διερεύνησή τους προς την κατεύθυνση αυτή με σκοπό τη διασφάλιση της κατασκευής, είναι να υπάρχει εμπεριστατωμένη «γνώση» από πλευράς γεωλογικής πληροφορίας στον ευρύτερο χώρο της κατασκευής των παρακάτω επιμέρους στοιχείων και πληροφοριών: Φύση τεχνικά χαρακτηριστικά του γεωϋλικού Ανάπτυξη εξάπλωση του γεωϋλικού στο χώρο Επιδράσεις στο γεωϋλικό από το υπόγειο νερό Αλλαγές μεταβολές του γεωϋλικού με το χρόνο 3.2. ΦΥΣΗ ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΓΕΩΫΛΙΚΟΥ Διάκριση Με τον όρο «πέτρωμα» εννοούμε από περιγραφική άποψη όλα τα γεωλογικά υλικά του στερεού φλοιού της γης. Σε αυτά συγκαταλέγονται τόσο τα χαλαρά και ασύνδετα υλικά όσο και τα καλά συγκολλημένα. Από τεχνική όμως άποψη, γίνεται διάκριση μεταξύ του πετρώματος (βράχου) και του εδάφους και συγκεκριμένα (TERZAGHI and PECK, 1967): έδαφος (soil) είναι ένα φυσικό συσσωμάτωμα κόκκων που μπορεί να διαχωριστεί με απλή μηχανική δράση (π.χ ανακίνηση μέσα σε νερό), και βράχος (rock) είναι, αντίθετα, ένα φυσικό συσσωμάτωμα ορυκτών (με μορφή κρυστάλλων ή κόκκων) που συνδέονται μεταξύ τους με φυσική συγκολλητική ύλη. Τα όρια διαχωρισμού μεταξύ εδάφους βράχου είναι ασαφή και από μηχανικής πλευράς τοποθετούνται σε τιμές αντοχής σε μοναξονική ανεμπόδιστη θλίψη (unconfined compressive strength - σ c ) του γεωϋλικού της τάξης του 1 MPa. Για το λόγο αυτό, ο χώρος μεταξύ εδάφους βράχου καλύπτεται από γεωϋλικά «ενδιάμεσης μηχανικής συμπεριφοράς» και καλούνται σκληρά εδάφη μαλακοί βράχοι (hard soils soft rocks). Ο χώρος αυτός καλύπτει γεωϋλικά με τιμές αντοχής σε μοναξονική θλίψη που κυμαίνονται από 0.50 μέχρι 25 MPa (I.S.R.M. 1981) Εδάφη Προέλευση - διάκριση Τα εδάφη προέρχονται από τα πετρώματα σαν αποτέλεσμα φυσικών ή χημικών διεργασιών (φαινόμενα αποσάθρωσης και διάλυσης) και στη συνέχεια μεταφοράς ή όχι των υλικών και απόθεσης (Σχήμα 3.1). Ανάλογα με το βαθμό επιδεκτικότητας κάθε πετρώματος στους ατμοσφαιρικούς παράγοντες (αποσάθρωση) διαμορφώνεται Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 2

3 ένας εδαφικός μανδύας πάνω στην επιφάνειά του, που η σύστασή του εξαρτάται από τη σύσταση και τα προϊόντα αποσάθρωσης του υποκείμενου μητρικού πετρώματος (μανδύας αποσάθρωσης weathering mantle). Όταν δεν έχει γίνει καμία ή μικρή μόνο μεταφορά του μανδύα έχουμε τα ελουβιακά εδάφη (ελούβια). Εδώ πρέπει να σημειωθεί ότι η μετάβαση από το μανδύα αποσάθρωσης προς το υποκείμενο υγιές πέτρωμα είναι προοδευτική δηλαδή μεσολαβεί μία ζώνη όπου το πέτρωμα δεν έχει μετατραπεί πλήρως σε έδαφος (εντελώς πολύ μέτρια αποσαθρωμένο πέτρωμα, weathered rock) και έχει πολύ μειωμένη μηχανική συμπεριφορά. Τα κορήματα (debris, scree) είναι και αυτά εδαφικά υλικά που συσσωρεύονται στις πλαγιές από τα υλικά απόσπασης και αποσάθρωσης πετρωμάτων υψηλότερων περιοχών και τη μεγαλύτερη ανάπτυξη και βάθος αποκτούν στη βάση της πλαγιάς. Τα εδαφικά υλικά της αποσάθρωσης των πετρωμάτων που προσλαμβάνονται από τα επιφανειακά νερά της επιφανειακής απορροής, μεταφέρονται και ανάλογα με την ταχύτητα του νερού (κλίση ανάγλυφου, μισγάγγειας) και την αρχική τους σύνθεση, ταξινομούνται και αποτίθενται σε άλλες περιοχές για να δημιουργήσουν τις προσχώσεις. Γενικά αυτές έχουν πιο αδρομερές υλικό (κροκάλες) στην ανάντη διαδρομή τους και λεπτομερές (άργιλος ιλύς) στην κατάντη. Τα εδάφη αποτελούνται από κόκκους που διαχωρίζονται από διάκενα (πόρους) τα οποία περιέχουν αέρα ή νερό. Διακρίνονται σε: συνεκτικά (ή λεπτόκοκκα) (cohesive soils) μη συνεκτικά (ή κοκκώδη) (cohesionless soils). Τα μη συνεκτικά εδάφη έχουν κλειστή δομή με τους κόκκους να είναι σε επαφή μεταξύ τους χωρίς όμως να αναπτύσσεται μεταξύ τους καμία ελκτική δύναμη. Τέτοια εδάφη είναι κυρίως τα αμμώδη. Αντίθετα, τα συνεκτικά εδάφη έχουν κυψελοειδή δομή και μεταξύ των εδαφικών κόκκων αναπτύσσονται δυνάμεις συνοχής. Τα διάκενα μεταξύ των κόκκων είναι πολύ μικρά αλλά ο συνολικός τους όγκος μεγάλος. Η διάταξη των σωματιδίων (κόκκων) είναι φυλλώδης (στρωματοειδής) και έχουν τη δυνατότητα προσρόφησης νερού (όχι όμως διακίνησής του). Τέτοια εδάφη είναι κυρίως τα αργιλικά (αποτελούνται από ένυδρα φυλλοπυριτικά ορυκτά του Al). μανδύας αποσάθρωσης αποσαθρωμένο πέτρωμα υγιές πέτρωμα κορήματα προσχώσεις Σχήμα 3.1. Προέλευση διάκριση εδαφών Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 3

4 Ταξινόμηση κατάταξη Η ταξινόμηση και κατάταξη των εδαφών γίνεται με την εκτέλεση εργαστηριακών δοκιμών (δοκιμές ταξινόμησης) σε αντιπροσωπευτικά δείγματα εδάφους που έχουν σα βασικό σκοπό τον προσδιορισμό του μεγέθους των κόκκων (κοκκομέτρηση) και την πλαστικότητά τους. Ο τύπος των εδαφών, βασίζεται κυρίως στο μέγεθος των κόκκων τους (στην παρένθεση αναφέρεται η διάμετρος των κόκκων) και διακρίνονται οι παρακάτω τύποι σύμφωνα με το Ενοποιημένο Σύστημα Ταξινόμησης (U.S.C.S): ογκόλιθοι (>300mm) κροκάλες ( mm) χαλίκια ( mm) άμμος ( mm) ιλύς ( mm) άργιλος (<0.002 mm) Ιδιαίτερες κατηγορίες αποτελούν τα οργανικά εδάφη και η τύρφη. Ένα έδαφος σπάνια αποτελείται από ένα μόνο από τους παραπάνω τύπους, αλλά συνήθως είναι μείγμα διαφορετικών τύπων (δηλαδή μπορεί να είναι άμμος, άργιλος, αμμώδης άργιλος, αργιλώδης άμμος και να έχει χαλίκια). Γενικά τα εδάφη με διάμετρο κόκκων >0.075 mm χαρακτηρίζονται σαν μη συνεκτικά (κοκκώδη) (coarse grained) ενώ οι άργιλοι και οι ιλύες σαν συνεκτικά (λεπτόκοκκα) (fine grained). Τα λεπτόκοκκα ή συνεκτικά εδάφη χαρακτηρίζονται από την πλαστικότητα που παρουσιάζουν δηλ. στην κατάσταση που μπορούν να βρεθούν, από τη στερεή μέχρι την υδαρή, ανάλογα με την περιεχόμενη υγρασία (δηλ. την ποσότητα του νερού που περιέχουν) και η οποία οφείλεται στην προσρόφηση του νερού λόγω της φυλλώδους δομής τους. Η πλαστικότητα περιγράφεται με τα όρια πλαστικότητας και υδαρότητας (όρια Atterberg) που υπολογίζονται με εργαστηριακές δοκιμές σε δείγματα εδάφους. Τα όρια Atterberg είναι: Το όριο υδαρότητας (LL) (liquid limit) που αντιπροσωπεύει την υγρασία στην οποία το έδαφος μεταβαίνει από την πλαστική στην υδαρή κατάσταση, και το όριο πλαστικότητας (PL) (plasticity limit) που αντιπροσωπεύει την υγρασία στην οποία μεταβαίνει από την πλαστική στην ημιστερεή κατάσταση Φυσικά χαρακτηριστικά Το έδαφος σαν υλικό (γεωϋλικό) έχει όλες τις γνωστές φυσικές ιδιότητες που χαρακτηρίζουν τα υλικά (πυκνότητα, ειδικό βάρος, περιεχόμενη υγρασία κ.λπ.). Ένα δείγμα εδάφους είναι γνωστό ότι περιέχει κόκκους και μεταξύ των κόκκων αυτών διάκενα (πόρους) που είναι πληρωμένα με νερό ή αέρα. Αν θεωρήσουμε σε ένα τυπικό εδαφικό δείγμα τους αντίστοιχους όγκους και βάρη δηλ. των στερεών (μόνο των κόκκων) και των κενών (που περιέχουν νερό και αέρα ξεχωριστά), μπορούμε να υπολογίσουμε τα φυσικά χαρακτηριστικά του, όπως φαίνεται λεπτομερέστερα στο Σχήμα 3.2A. Ο προσδιορισμός των αντίστοιχων όγκων και βαρών και στη συνέχεια των φυσικών χαρακτηριστικών γίνεται με απλές εργαστηριακές δοκιμές Μηχανικά χαρακτηριστικά Οι μηχανικές ιδιότητες (ή χαρακτηριστικά) περιγράφουν τη συμπεριφορά του εδάφους κάτω από την επίδραση μιας στατικής τάσης (ορθής ή διατμητικής). Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 4

5 Λόγος κενών e = V v /V s Πορώδες n(%) = V v /V t x 100 Περιεχόμενη υγρασία w (%) = W w /W s x 100 Ειδικό βάρος G = W s /(V s.γ w ) Βαθμός κορεσμού S(%) = (V w /V v ) x 100 Φαινόμενο βάρος (πυκνότητα) γ d =W s /V Σχήμα 3.2A. Φυσικές ιδιότητες εδαφών (α) εδαφικός σκελετός, όπου φαίνονταο τα στερεά τεμαχίδια (S) και τα κενά-πόροι πληρωμένα με αέρα (Α) και νερό (W) (πραγματική μορφή) (β) ιδεατή μορφή εδαφικού δείγματος (HOLTS and KOVACS, 1961) Ορθή τάση ή κανονική (σ) (normal stress) είναι όταν η δύναμη εξασκείται κάθετα στην επιφάνεια του σώματος με φορά την επιφάνεια (θλιπτική τάση) ή με φορά αντίθετη (εφελκυστική τάση). Μονάδες μέτρησης της τάσης : N/m 2 = Pa, kn/m 2 = kpa, MN/m 2 = MPa και 1MPa = 10 kg/cm 2. Διατμητική τάση (τ) (shear stress) είναι όταν εξασκείται παράλληλα στην επιφάνεια. Τα εδάφη, όπως και τα περισσότερα στερεά υλικά θραύονται από θλίψη, εφελκυσμό και διάτμηση. Η πιο σημαντική όμως, η οποία και καθορίζει την γενικότερη μηχανική συμπεριφορά στα εδάφη, είναι η θραύση από διάτμηση (στην οποία οφείλονται και οι κύριες αστοχίες και θραύσεις σε θεμελιώσεις, πρανή κτλ.). Η αντοχή που προβάλλει το έδαφος στη διάτμηση λέγεται διατμητική αντοχή (shear strength) και είναι εκείνη που αντιστέκεται στη θραύση και ολίσθηση του εδάφους κατά μήκος μιας «κρίσιμης» επιφάνειας (επίπεδο θραύσης). Η διατμητική αντοχή του εδάφους οφείλεται γενικά: στην τριβή που αναπτύσσεται μεταξύ των κόκκων του εδάφους και μπορεί να εξηγηθεί σύμφωνα με το γνωστό από την κλασσική μηχανική ισοδύναμο. Τα επιβαλλόμενα φορτία σε ένα έδαφος αναλαμβάνονται από τον εδαφικό σκελετό και αναπτύσσονται ορθές και διατμητικές τάσεις μεταξύ των κόκκων. Εδώ πρέπει να τονιστεί ότι, λόγω ποικιλίας σχημάτων και μεγεθών των εδαφικών κόκκων, στις επαφές τους αναπτύσσονται ορθές και διατμητικές δυνάμεις Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 5

6 ακόμα και στην περίπτωση που εξωτερικά επιβάλλεται μόνο ορθή δύναμη. Αποτέλεσμα των τάσεων αυτών είναι οι ολισθήσεις και μετακινήσεις των κόκκων. Στο Σχήμα 3.2B φαίνεται ενδεικτικά η επαφή μεταξύ δύο κόκκων ενός εδάφους (π.χ. μιας άμμου) και οι ορθές (Ν) και διατμητικές (Τ) δυνάμεις που ασκούνται σε αυτούς, σαν αποτέλεσμα ενός εξωτερικά επιβαλλόμενου φορτίου. Για κάθε τιμή της ορθής δύναμης (Ν) ορίζεται η διατμητική αντοχή (Τ) στην επαφή, από τη σχέση (θεμελιώδης νόμος τριβής): Τ = Ν εφφ μ Ο συντελεστής (εφφ μ ) είναι σταθερά, χαρακτηριστική του υλικού των κόκκων, που εξαρτάται από την "ομαλότητα" της επιφάνειας επαφής των κόκκων. Η γωνία φ μ ονομάζεται γωνία τριβής των κόκκων. Σχήμα 3.2Β. Δυνάμεις μεταξύ των κόκκων εδαφικού υλικού (α) μεταξύ δύο κόκκων σε επαφή (β) κατά μήκος του επιπέδου θραύσης στην αντίδραση που προκαλείται από τις ελκτικές δυνάμεις (δυνάμεις συνοχής) που αναπτύσσονται μεταξύ των εδαφικών κόκκων και είναι ηλεκτροστατικής κυρίως προέλευσης δηλ. τη συνοχή, c (cohesion). Μπορεί ακόμα να προέρχεται από την πραγματική σιμέντωση μεταξύ των κόκκων. Η συνοχή εξαρτάται προφανώς από την κοκκομετρική διαβάθμιση του υλικού. Τα συνεκτικά εδάφη έχουν σημαντικό ποσοστό λεπτομερών, τα τεμαχίδια δε αυτών έλκονται μεταξύ τους, ιδιαίτερα δε όταν μεταξύ αυτών ένα μεγάλο ποσοστό αντιπροσωπεύει αργιλικά ορυκτά. Διαφορετικά, εδάφη χωρίς σημαντικό ποσοστό λεπτομερών (δηλ. κοκκώδη μη συνεκτικά) μπορεί να δείχνουν κάποια συγκόλληση όταν είναι διαβρεγμένα αλλά αποσυντίθενται σε ανεξάρτητους κόκκους ή τεμάχη με την ξήρανση. Φαίνεται λοιπόν ότι η αντίσταση σε διάτμηση ενός εδάφους αποδίδεται γενικά στην εσωτερική τριβή και τη συνοχή. Η πρώτη οφείλεται στην αλληλοεμπλοκή των κόκκων και η δεύτερη στις δυνάμεις που συγκρατούν τους κόκκους μαζί στην εδαφική μάζα. Ένα καθαρά συνεκτικό έδαφος (π.χ. μια άργιλος) μπορούμε αδρά να υποθέσουμε ότι έχει γωνία εσωτερικής τριβής μηδενική (αλλά προφανώς συνοχή), ενώ αντίθετα ένα κοκκώδες (π.χ. μια άμμος) μηδενική συνοχή (αλλά γωνία τριβής). Με βάση τα παραπάνω, σχετικά με τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η διατμητική αντοχή ενός εδαφικού υλικού, διατυπώθηκε από τους Mohr Coulomb η παρακάτω σχέση που αποτελεί το βασικό κριτήριο θραύσης των εδαφών και συνδέει τη διατμητική αντοχή τ με τις παραμέτρους φ και c (που ονομάζονται Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 6

7 παράμετροι διατμητικής αντοχής) καθώς επίσης και με την ορθή τάση σ που ασκείται σε μια εδαφική επιφάνεια: τ = c + σ. εφ φ Η παραπάνω σχέση ισχύει για όλα τα εδάφη. Ειδικά για τα μη συνεκτικά (κοκκώδη), λόγω έλλειψης της συνοχής (c=0), γίνεται : τ = σ. εφ φ Στα μη συνεκτικά εδάφη η γωνία εσωτερικής τριβής φ εξαρτάται από τη σχετική τους πυκνότητα και έτσι για μια χαλαρή άμμο η γωνία φ ταυτίζεται με τη γωνία φυσικού πρανούς της άμμου αυτής και αυξάνεται για πυκνότερη κατάστασή της. Οι παράμετροι της διατμητικής αντοχής του εδάφους υπολογίζονται με εργαστηριακές δοκιμές σε εδαφικά δείγματα (αδιατάρακτα δείγματα που λαμβάνονται με ειδικούς τρόπους μεθόδους δειγματοληψίας). Με την επίδραση μιας ορθής συμπιεστικής τάσης πάνω στο εδαφικό υλικό επέρχεται γενικά μια παραμόρφωσή του (συμπίεση) που ονομάζεται συμπιεστότητα. Σημαντικό παράγοντα στην παραμόρφωση του εδάφους κατέχει το κατά πόσο εύκολα μπορεί το νερό που είναι στα διάκενα πόρους (και καλείται νερό πόρων) του εδάφους να διαφύγει κάτω από την επίδραση μιας συμπιεστικής τάσης. Αυτό βέβαια εξαρτάται από τη υδροπερατότητα του εδάφους και έχουμε: στα κοκκώδη εδάφη (που έχουν υψηλή διαπερατότητα) το νερό διαφεύγει εύκολα οπότε η τάση αναλαμβάνεται από τους κόκκους και γίνεται άμεσα αναδιάταξη των κόκκων σε πιο πυκνή μορφή στα συνεκτικά εδάφη (που έχουν χαμηλή διαπερατότητα) το νερό δεν μπορεί να διαφύγει εύκολα οπότε το μεγαλύτερο μέρος της τάσης αναλαμβάνεται από το νερό των πόρων με συνέπεια την αύξηση της πίεσής του (πίεση νερού πόρων). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να μην εμφανίζονται άμεσες παραμορφώσεις στο έδαφος αλλά αυτό παραμορφώνεται αργά επί αρκετό χρόνο μετά την επιβολή της τάσης, καθόσον το νερό των πόρων διαφεύγει με πολύ αργό ρυθμό. Το φαινόμενο της αρχής της διαφυγής του νερού των πόρων και της βαθμιαίας συμπίεσης του εδάφους κάτω από την επίδραση ενός εξωτερικού φορτίου καλείται στερεοποίηση του εδάφους (consolidation) και υπολογίζεται με εργαστηριακές δοκιμές σε αδιατάρακτα εδαφικά δείγματα. Αποτελεί στην ουσία η στερεοποίηση το μέτρο των αναμενόμενων καθιζήσεων που θα υποστεί το συνεκτικό έδαφος από την επίδραση μιας στατικής φόρτισης (δηλ. κατά την κατασκευή ενός έργου) Βράχοι Γένεση διάκριση Οι βράχοι είναι συσσωματώματα ορυκτών σε μορφή κρυστάλλων ή κόκκων που συνδέονται μεταξύ τους με συγκολλητική ύλη. Η γένεση τους οφείλεται στις γνωστές πετρολογικές διαδικασίες και ανάλογα χωρίζονται σε ιζηματογενή, εκρηξιγενή και μεταμορφωμένα. Γίνεται διάκριση μεταξύ του υλικού του πετρώματος και της συνολικής του μάζας με βάση τους παρακάτω όρους: Σαν βραχώδες υλικό ή ανέπαφο ή ακέραιο πέτρωμα (intact rock, rock material) χαρακτηρίζεται το υλικό του βράχου που δεν εμφανίζει μεγάλης κλίμακας ρωγμές, ασυνέχειες κ.λπ. (δηλαδή επίπεδες επιφάνειες αδυναμίας) και θεωρείται συνεχές (ομοιόμορφο). Τέτοια υλικά είναι τα συμπαγή δείγματα, οι πυρήνες από δειγματοληπτικές γεωτρήσεις κ.λπ. Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 7

8 Ασυνέχεια (discontinuity) είναι κάθε επίπεδο αδυναμίας που διακόπτει τη συνέχεια του βράχου το οποίο έχει πολύ μικρή ή μηδενική αντοχή σε εφελκυσμό. Σαν βραχομάζα (rockmass) θεωρείται το σύνολο του πετρώματος στη φυσική κατάστασή του, δηλαδή όπως εμφανίζεται στο ύπαιθρο, όπου διακόπτεται από κάθε είδους μακροασυνέχειες και θεωρείται ασυνεχές σύνολο Ακέραιο πέτρωμα Τα διάφορα γεωλογικά συστήματα ταξινόμησης των πετρωμάτων δεν είναι τόσο κατάλληλα να εφαρμοστούν στα τεχνικά θέματα και για το λόγο αυτόν εκτός από την τυποποιημένη συνήθη πετρολογική ονομασία του, στο ακέραιο πέτρωμα χρησιμοποιούνται τα φυσικά και μηχανικά χαρακτηριστικά του σε συνδυασμό με τη φυσική του κατάσταση (κυρίως αποσάθρωση). Έχουν προταθεί (Πίνακας 3.1) κάποιες συγκεκριμένες ομάδες δεικτών περιγραφής και ταξινόμησης του ακέραιου πετρώματος (Geological Society Engineering Group Working Party, 1977). Οι ιδιότητες που περιλαμβάνονται στην ομάδα Ι είναι καθαρά περιγραφικές, της ομάδας ΙΙ προσδιορίζονται με απλές δοκιμές (εργαστηριακές ή επί τόπου) που απαιτούν μικρή ή καθόλου προετοιμασία του βραχώδους δείγματος και έχουν ημιποσοτική έκφραση, ενώ της ομάδας ΙΙΙ μπορούν να προσδιοριστούν άμεσα με εργαστηριακές δοκιμές, είναι ποσοτικές και απαραίτητες στο σχεδιασμό τεχνικών έργων. Πίνακας 3.1. Δείκτες περιγραφής ταξινόμησης πετρωμάτων για γεωτεχνικούς σκοπούς (GEOLOGICAL SOCIETY ENGINEERING GROUP, 1977) Από όλες τις παραπάνω παραμέτρους ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην αποσάθρωση εξαλλοίωση, ανθεκτικότητα, σκληρότητα και αντοχή (που περιλαμβάνει το μέτρο ελαστικότητας). Η αποσάθρωση (weathering) των πετρωμάτων προκαλείται από την επίδραση των ατμοσφαιρικών παραγόντων πάνω στο πέτρωμα, οι οποίοι δημιουργούν επιτόπου ένα μανδύα από υλικά αποσάθρωσης του μητρικού πετρώματος. Διακρίνεται, σε μηχανική αποσάθρωση (διεύρυνση ασυνεχειών, διεύρυνση ορίων κόκκων, θραύση και σχισμός τους) και χημική αποσάθρωση (χημική αλλοίωση μητρικού πετρώματος). Η εξαλλοίωση περιλαμβάνει τις χημικές και ορυκτολογικές μεταβολές που οφείλονται στην επίδραση των υδροθερμικών διαλυμάτων. Από πλευράς ταξινόμησης το ακέραιο πέτρωμα, με κριτήριο το βαθμό αποσάθρωσης, διακρίνεται στις κατηγορίες που δίνονται στον Πίνακα 3.2. (ISRM, 1981). Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 8

9 Πίνακας 3.2. Αποσάθρωση και εξαλλοίωση βραχώδους υλικού (ISRM 1981) Η ανθεκτικότητα σε χαλάρωση (slaking durability) αποτελεί στην ουσία την «αντίσταση» του πετρώματος στη χρονικά γρήγορη αποσάθρωση που επέρχεται με το σπάσιμο των δεσμών των ορυκτολογικών του συστατικών. Αυτό συμβαίνει σε μερικά αργιλικά πετρώματα (αργιλικοί σχιστόλιθοι, μαργόλιθοι, ιλυόλιθοι κ.λπ.) όταν διαβραχούν. Η παράμετρος αυτή μετριέται εργαστηριακά με τη δοκιμή χαλάρωσης. Η σκληρότητα (hardness) καθορίζεται από την «αντίσταση» που παρουσιάζει το ακέραιο πέτρωμα κατά τη χάραξή του. Εξαρτάται κυρίως από το είδος και την αναλογία των ορυκτών που το συνιστούν καθώς και από το είδος των δεσμών που υπάρχουν μεταξύ των ορυκτών αυτών. Ο προσδιορισμός της σκληρότητας γίνεται με τη χρήση του σφυριού αναπήδησης schmidt L και αποτελεί επιπρόσθετα έναν τρόπο έμμεσου προσδιορισμού της αντοχής του. Η αντοχή (strength) (σ c ) είναι το όριο της «αντίστασης» του πετρώματος σε θραύση υπό την επίδραση μιας ορθής τάσης (αντοχή σε μοναξονική θλίψη uniaxial compressive strength). Ο προσδιορισμός της μηχανικής αντοχής του πετρώματος γίνεται άμεσα και έμμεσα. Ο ασφαλέστερος τρόπος είναι ο άμεσος προσδιορισμός στο εργαστήριο με την επιβολή μιας ορθής τάσης στο πέτρωμα μέσω ειδικής συσκευής θλίψης (πρέσσα). Κατά τη διάρκεια της επιβολής της τάσης στο πέτρωμα μετριέται η παραμόρφωσή του και σχεδιάζεται η καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων (Σχήμα 3.3) και με τον τρόπο αυτόν προσδιορίζεται και το μέτρο ελαστικότητάς του Ε σαν κλίση της καμπύλης τάσεων αξονικών παραμορφώσεων. Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 9

10 P δ L L τάση, σ (MPa) E=σ/ε θραύση σ c =P/A P A παραμόρφωση, ε= δ L /L (%) Σχήμα 3.3. Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων που μετριέται κατά τη διαδικασία της θραύσης Ασυνέχειες Ασυνέχεια είναι κάθε επίπεδο αδυναμίας που τέμνει το πέτρωμα που έχει πολύ μικρή ή μηδενική αντοχή σε εφελκυσμό. Κύριες κατηγορίες των ασυνεχειών είναι: ελαστικά πετρώματα (ε<3%) Στρώση (bedding plane) : επιφάνεια παράλληλη στην αρχική επιφάνεια ιζηματογένεσης ημιελαστικά πετρώματα Διάκλαση (joint): επίπεδο αποχωρισμού τεκτονικής προέλευσης χωρίς να παρατηρείται μη σχετική ελαστικά μετακίνηση εκατέρωθεν πετρώματα των τοιχωμάτων της Σχιστότητα (schistosity) : παράλληλος προσανατολισμός των ορυκτών Ρήγμα (fault) : επίπεδο θραύσης μεγάλου μήκους με σχετική κίνηση εκατέρωθεν Φύλλωση, Σχισμός κτλ. Οι ασυνέχειες σχηματίζουν δύο κύριες ομάδες: (α) αυτές που απαντώνται συστηματικά στη μάζα του πετρώματος (διακλάσεις, στρώση κτλ.), και (β) τις μοναδιαίες όπως π.χ. τα ρήγματα. Μερικά από τα κύρια χαρακτηριστικά των ασυνεχειών που αποτελούν και τις παραμέτρους της μηχανικής περιγραφής τους είναι: Ο προσανατολισμός (orientation) των επιπέδων στο χώρο σε σχέση με το γεωγραφικό βορά (φορά μεγίστης κλίσης/κλίση) όπως μετριέται άμεσα με τη γεωλογική πυξίδα. Η απόσταση (spacing) μεταξύ τους που καθορίζει και το μέγεθος των βραχωδών τεμαχών (blocks) της βραχομάζας Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 10

11 Το υλικό πλήρωσης (αν υπάρχει ανάμεσα στα τοιχώματα εδαφικό υλικό και το είδος του) Η τραχύτητα (roughness) δηλ. η ανωμαλία των παρειών τους που καθορίζει και τη διατμητική αντοχή τους Βραχομάζα Σαν βραχομάζα θεωρείται το σύνολο του πετρώματος στη φυσική του κατάσταση δηλ. όπως εμφανίζεται στο ύπαιθρο, όπου διακόπτεται από κάθε είδους ασυνέχειες και θεωρείται ασυνεχές σύνολο. Η μηχανική συμπεριφορά της βραχομάζας οριοθετείται από τα μηχανικά χαρακτηριστικά του ακέραιου πετρώματος και της επίδρασης των ασυνεχειών που τη διατέμνουν (Σχήμα 3.4). Για το σκοπό αυτόν έχουν καθιερωθεί διεθνώς αποδεκτά συστήματα ταξινόμησης που, λαμβάνοντας υπόψη τις ιδιότητες του ακέραιου πετρώματος και των ασυνεχειών, ταξινομούν τη βραχομάζα σε συγκεκριμένες κατηγορίες ποιότητες και δίνουν ποσοτικά στοιχεία σχετικά με τις κρίσιμες παραμέτρους σχεδιασμού (παραμέτρους διατμητικής αντοχής και παραμορφωσιμότητας της βραχομάζας). Επίσης δίνουν τεχνικά ποσοτικά στοιχεία σχετικά με την κατασκευή τεχνικών έργων και κυρίως υπόγειων έργων (σήραγγες). Σχήμα 3.4. Σχηματική παρουσίαση της κλίμακας επιρροής ακέραιου πετρώματος βραχομάζας σε ένα τεχνικό έργο (HOEK and BROWN, 1980) Τα σπουδαιότερα από τα συστήματα αυτά ταξινόμησης είναι το σύστημα RMR (BIENIAWSKI, 1974), το σύστημα Q (BARTON et al. 1974) και το GSI (HOEK and MARINOS, 2000) 3.3. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΕΞΑΠΛΩΣΗ ΤΟΥ ΓΕΩΫΛΙΚΟΥ ΣΤΟ ΧΩΡΟ Στα πλαίσια του σχεδιασμού κατασκευής ενός τεχνικού έργου ενδιαφέρει η ανάπτυξη εξάπλωση και γενικότερα η γεωμετρία του/των γεωϋλικών και ειδικότερα των δομικών στοιχείων τους (π.χ. ασυνεχειών) σε σχέση με τα βασικά γεωμετρικά στοιχεία του έργου. Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 11

12 Επίδραση της διαστρωμάτωσης στα τεχνικά έργα (α) Στη διατομή σηράγγων Είναι προφανές, ότι ο προσανατολισμός των γεωλογικών στρωμάτων (διαστρωμάτωση) σε σχέση με τον άξονα της σήραγγας επηρεάζει σημαντικά την κατανομή και συγκέντρωση των τάσεων (κυρίως των γεωστατικών λόγω των υπερκείμενων στρωμάτων) που επιδρούν στη διατομή της και συνεπώς στην άμεση υποστήριξη και στην τελική επένδυσή της. Στο Σχήμα 3.5α, β και γ οι πιέσεις που επιδρούν στη διατομή είναι περίπου ομοιόμορφες και κατακόρυφες ενώ στο Σχήμα 3.5δ και ζ οι πιέσεις συγκεντρώνονται στη μια μόνο πλευρά της σήραγγας επειδή τα στρώματα κλίνουν λοξά. Το Σχήμα 3.5ε δείχνει ισχυρή πίεση στην κορυφή του τόξου της διατομής. Σχήμα 3.5. Επίδραση της διαστρωμάτωσης της βραχομάζας στη διατομή των σηράγγων (από DESIO 1973). (β) Στα απότομα πρανή E Δ Μ Ε: ευνοϊκή Δ: δυσμενής Μ:μέτρια Ε Ε Δ Σχήμα 3.6. Ευστάθεια σε απότομα πρανή με βάση τη διαστρωμάτωση της βραχομάζας (από DESIO 1973) Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 12

13 Στο Σχήμα 3.6 φαίνεται ενδεικτικά η επίδραση της διαστρωμάτωσης στην ευστάθεια ενός βραχώδους πρανούς (φυσικού ή τεχνητού). Οι περιπτώσεις (α), (δ) και (ε) αναφέρονται γενικά σε σταθερές και ευνοϊκές συνθήκες κατασκευής ενώ η περίπτωση (β) σε δυσμενείς. Στην περίπτωση (ζ) η παρουσία των διακλάσεων ρωγμών υποβαθμίζει τις συνθήκες ευστάθειας, ενώ η περίπτωση (γ) είναι μέτρια από πλευράς ευστάθειας. (γ) Στη λειτουργία φραγμάτων Η παρουσία βραχομάζας με διαστρωμάτωση τέτοια ώστε να έχει κατάλληλο προσανατολισμό σε σχέση με τον άξονα του έργου, έχει σαν συνέπεια (α) οι διατμητικές επιφάνειες μιας πιθανής αστοχίας να αντανακλαστούν σε αυτή και (β) δημιουργούν συνθήκες αυξημένης υδροπερατότητας κατά μήκος αυτών με αντίστοιχα προβλήματα στεγανότητας (Σχήμα 3.7). Ο κατάλληλος προσανατολισμός των επιπέδων διαστρωμάτωσης (ή και άλλων ασυνεχειών) μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία λόγω ολίσθησης, κάτω από την άσκηση υπερβολικών πιέσεων από το νερό. Προς την κατεύθυνση αυτή πλέον επιρρεπή είναι τα πετρώματα που παρουσιάζουν έντονη σχιστότητα, όπως είναι οι σχιστόλιθοι και οι φυλλίτες, οι ενστρώσεις ασθενών ζωνών σε υγιή βραχόμαζα και η παρουσία οριζόντιων διαρρήξεων κατά μήκος των οποίων μειώνεται η εγγενής διατμητική αντοχή της βραχομάζας λίμνη Σχήμα 3.7. Συνθήκες ευστάθειας θεμελίωσης φράγματος και στεγανότητας σε σχέση με την κύρια διαστρωμάτωση της βραχομάζας (DESIO 1973). 1,4,5: Ευνοϊκές συνθήκες, 2: Πολύ ευνοϊκές, 3: Δυσμενείς, 6: Δυσμενείς στη δεξιά πλευρά και ευνοϊκές στο υπόλοιπο τμήμα Επίδραση τεκτονικών δομών στα τεχνικά έργα (α) Γεωλογικά ρήγματα Καταρχήν είναι απαραίτητη η γνώση της ηλικίας του ρήγματος καθόσον στην περίπτωση που αυτό είναι γεωλογικά πρόσφατο θα πρέπει να θεωρείται ενεργό, οπότε πρέπει να αντιμετωπίζεται η πιθανότητα μιας νέας ανάδράσης του. Γενικά, όταν η σήραγγα συναντά ένα ενεργό ρήγμα, προτιμάται η παραλλαγή του άξονά της, προκειμένου να αποφευχθεί η διασταύρωση με το ρήγμα (πράγμα που όμως δεν είναι πάντοτε εφικτό σε σήραγγες μεγάλου μήκους). Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 13

14 Στο Σχήμα 3.8 φαίνονται ενδεικτικά διάφορες πιθανές θέσεις του άξονα μιας σήραγγας σε σχέση με κάποια ζώνη ρήγματος. Η περίπτωση (α) δείχνει σήραγγα που έχει τοποθετηθεί μέσα στη ζώνη διάρρηξης (ο άξονάς της είναι παράλληλος προς τη ζώνη διάρρηξης), ενώ στις περιπτώσεις (β) και (γ) η σήραγγα βρίσκεται αντίστοιχα στο «πάτωμα» και το «ταβάνι» του ρήγματος. Στις περιπτώσεις (δ) και (ζ) η σήραγγα συναντά το ρήγμα εγκάρσια και λοξά, ενώ στην περίπτωση (ε) η σήραγγα βρίσκεται έξω από το ρήγμα. Σχήμα 3.8. Διαφορετικές θέσεις σήραγγας σε σχέση με την παρουσία ζώνης διάρρηξης (από DESIO 1973) Επιπρόσθετα και ανεξάρτητα από το αν το ρήγμα είναι ενεργό ή όχι, το υλικό που συναντάται στη ζώνη διάρρηξης (της οποίας το πάχος είναι κάμποσα μέτρα) είναι γενικά κερματισμένο, χαλαρό και ασταθές, ενώ είναι πιθανή η εισροή σημαντικών όγκων νερού. Υπάρχει πιθανότητα εκδήλωσης φαινομένων διόγκωσης του υλικού (στην περίπτωση που αυτό είναι αργιλικής σύστασης), εισροής του (στην περίπτωση που είναι κοκκώδες θραυστό) ή ακόμα εισροής αιωρήματος άμμου στην περίπτωση παρουσίας υπεδαφικών νερών. Η παρουσία των ρηγμάτων γενικά προκαλεί ανομοιόμορφη κατανομή των πιέσεων στη σήραγγα. Γενικά, τα προβλήματα αυξάνουν καθώς η διεύθυνση του ρήγματος τείνει να γίνει παράλληλη προς τον άξονα της σήραγγας (Σχήμα 3.8α) που αποτελεί περίπτωση που γενικά αποφεύγεται (πολύ δυσμενής περίπτωση). Στην περίπτωση που το ρήγμα είναι κάθετο στον άξονα της σήραγγας (Σχήμα 3.8δ) τα προβλήματα που συναντώνται έχουν σχέση με τη κλίση της ρηξιγενούς ζώνης σε σχέση με τη διάνοιξη της σήραγγας. Όταν η κλίση της ζώνης διάρρηξης είναι κατά την προχώρηση της σήραγγας, αποτελεί δυσμενή περίπτωση (η ζώνη συναντάται πρώτα στην οροφή της σήραγγας οπότε αναμένονται προβλήματα αστάθειας της οροφής), ενώ στην αντίθετη περίπτωση (κλίση αντίθετα προς την προχώρηση) είναι ευνοϊκή καθόσον συναντάται αρχικά στο δάπεδο οπότε και λαμβάνονται τα αντίστοιχα μέτρα αντιστήριξης για τη συνέχεια. Οι περιπτώσεις στα Σχήματα 3.8(β), (γ) και (ε) είναι οι πλέον ευνοϊκές. (β) Πτυχές στρωμάτων και άλλες περιπτώσεις Όταν ο άξονας της σήραγγας συμπίπτει με τον άξονα ενός αντικλίνου, οι κατακόρυφες πιέσεις εκτονώνονται πλευρικά (Σχήμα.3.9α) και θα υπάρχουν αυξημένες εκροές νερού από τη σήραγγα κατά μήκος της διαστρωμάτωσης. Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 14

15 Αντίθετα, όταν η σήραγγα έχει τοποθετηθεί κατά μήκος του άξονα ενός συγκλίνου τότε αναμένεται συγκέντρωση και αύξηση των τάσεων (Σχήμα.3.9β), ενώ το νερό τείνει να εισρεύσει μέσα στη σήραγγα. Στα αντίκλινα, τα ανώτερα στρώματα παρουσιάζουν περισσότερες εφελκυστικές ρωγμές από τα κατώτερα (Σχήμα 3.9γ) ενώ το αντίθετο συμβαίνει στα σύγκλινα. Κάποιες αντίστοιχες γεωλογικές συνθήκες για την περίπτωση φραγμάτων δίνονται στο Σχήμα Η περίπτωση του Σχήματος 3.10Β προσομοιάζει αρκετά με την περίπτωση του φράγματος Malpasset στη Νότια Γαλλία η αστοχία θεμελίωσης του οποίου είχε σαν αποτέλεσμα το θάνατο 491 ανθρώπων (Δεκέμβριος του 1959). Σχήμα 3.9. Επίδραση συγκλίνου και αντικλίνου στη διατομή των σηράγγων (από DESIO 1973). Σχήμα Γεωλογικές συνθήκες που διευκολύνουν αστοχία θεμελίωσης σε φράγματα. Α: Πυκνό δίκτυο διακλάσεων σε κρυσταλλικά πετρώματα που ευνοούν την εύκολη διατμητική μετατόπιση της βραχομάζας. Β: πετρώματα με διαστρωμάτωση προς τα κατάντη, που διατέμνονται από ρήγμα με υλικά χαμηλής αντοχής κατά μήκος της ζώνης αυτού. Γ: Πτυχωμένα στρώματα (ασβεστόλιθοι και ψαμμίτες, με λεπτές, ασθενείς ενστρώσεις αργιλικού σχιστόλιθου) παρουσιάζουν δυνατότητα αστοχίας της θεμελίωσης (WAHLSTROM, 1974). (γ) Επίδραση των υλικών αποσάθρωσης Τα προϊόντα της αποσάθρωσης είναι ασταθή υλικά, μέσα στα οποία η κατασκευή ενός τεχνικού έργου είναι αρκετά προβληματική. Είναι απαραίτητο η γεωλογική έρευνα να δίνει το πλήρες ανάγλυφο των χαλαρών υλικών αποσάθρωσης που Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 15

16 υπέρκεινται των πετρωμάτων, καθόσον αν το τεχνικό έργο (π.χ. σήραγγα) συναντήσει τέτοια υλικά χωρίς να έχει γίνει η σχετική πρόβλεψη, είναι δυνατόν να προκληθούν σημαντικές αστάθειες και αστοχίες στο έργο. Στο Σχήμα 3.11 δίνεται ενδεικτικά μια τέτοια περίπτωση από την οποία προκύπτει ότι η διάνοιξη μιας μόνο γεώτρησης δεν είναι αρκετή για μια αξιόπιστη μηκοτομή. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη σημαντική διαφοροποίηση της μηκοτομής της σήραγγας μετά από τη γεωλογική μελέτη (τομή πρόβλεψης) και μετά την κατασκευή. Σχήμα Γεωλογική μηκοτομή σήραγγας κάτω από κοιλάδα όπου φαίνεται ότι η διάνοιξη μιας γεώτρησης δεν είναι ικανοποιητική για τον προσδιορισμό του πάχους των υλικών αποσάθρωσης (α: πάχος που εκτιμήθηκε, β: πραγματική εμφάνιση υποβάθρου) 3.4. ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΑΠΟ ΥΠΟΓΕΙΟ ΝΕΡΟ Γενικά Υπόγειο (ή υπεδαφικό) είναι το νερό που βρίσκεται κάτω από την επιφάνεια του εδάφους ανεξάρτητα κατάστασης, βάθους και προέλευσης. Υπάρχει συνήθως μία διάκριση μεταξύ υπεδαφικού και υπογείου νερού, καθόσον το υπόγειο νερό είναι ένα μόνο μέρος του υπεδαφικού και αντιπροσωπεύει μόνο το υπεδαφικό νερό το οποίο μπορούμε να πάρουμε άμεσα ή με διάφορες τεχνικές (όπως πηγάδια και υδρογεωτρήσεις). Τα υπόγεια νερά αποτελούν ένα μέρος του κυκλοφορικού συστήματος των νερών γης που είναι ο υδρολογικός κύκλος. Η κυριότερη προέλευσή τους είναι κυρίως τα ατμοσφαιρικά κατακρημνίσματα (που ονομάζονται και μετεωρικά νερά) κατά τη διαδικασία πραγματοποίησης του υδρολογικού κύκλου. Το νερό εισέρχεται (κατείσδυση) από την επιφάνεια του εδάφους, είτε άμεσα με τα ατμοσφαιρικά κατακρημνίσματα είτε έμμεσα, από σώματα επιφανειακού νερού, όπως ποτάμια, λίμνες και μετά κινείται αργά (διήθηση) σε ποικίλες αποστάσεις και εμπλουτίζει τα υπόγεια νερά με συνέπεια την ανύψωση της υδροστατικής τους επιφάνειας, μέχρι να επιστρέψει στην επιφάνεια του εδάφους, είτε με φυσική ροή (πηγές, φυσική εκροή), είτε με την παρέμβαση των φυτών (διαπνοή) ή του ανθρώπου (έργα υδρομάστευσης όπως πηγάδια, υδρογεωτρήσεις κτλ). Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 16

17 Είδη υπόγειου νερού κατανομή του στο έδαφος Γενικά το υπόγειο νερό που προέρχεται από την κατείσδυση των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων (δηλ. το μετεωρικό νερό) διαχωρίζεται σε: νερό συγκράτησης : είναι το νερό που καλύπτει τους πόρους δηλ. τα διάκενα των γεωλογικών σχηματισμών, αλλά για διάφορους λόγους δεν υπακούει στους νόμους της βαρύτητας και επομένως δεν συμμετέχει στην υπόγεια κυκλοφορία. νερό βαρύτητας : είναι το νερό που καλύπτει τους πόρους δηλ. διάκενα των γεωλογικών σχηματισμών και υπακούει στους νόμους της βαρύτητας και στις υδροστατικές πιέσεις και συνεπώς συμμετέχει στην υπόγεια κυκλοφορία. Το νερό αυτό είναι δυνατό να το πάρουμε άμεσα ή έμμεσα με τα υδροληπτικά έργα και ονομάζεται, όπως προαναφέρθηκε, υπόγειο νερό. Η παρουσία του νερού στο έδαφος μπορεί να διακριθεί σε δύο κύριες ζώνες όπως ενδεικτικά φαίνεται στο Σχήμα Ζώνη αερισμού ή ακόρεστη ζώνη (zone of aeration), όπου τα διάκενα του εδάφους κατέχονται μερικά από αέρα και μερικά από νερό (διφασική ροή). Η ζώνη αερισμού βρίσκεται αμέσως κάτω από την επιφάνεια του εδάφους και δια μέσου αυτής τα μετεωρικά νερά κινούνται προς το βάθος μέχρι να συναντήσουν τη ζώνη κορεσμού η οποία και αποτελεί το χώρο μέσα στον οποίο συγκεντρώνονται και κινούνται τα υπόγεια νερά. Μέσα στη ζώνη αερισμού βρίσκεται το νερό συγκράτησης Ζώνη κορεσμού (zone of saturation) όπου όλα τα διάκενα του εδάφους είναι γεμάτα με νερό (νερό βαρύτητας) κάτω από υδροστατική πίεση (μονοφασική ροή). Η ποσότητα του νερού που κατεισδύει μέχρι να φτάσει στην κορεσμένη ζώνη και διηθείται στη ζώνη κορεσμού εξαρτάται κυρίως από δύο βασικούς παράγοντες: το πορώδες και τη διαπερατότητα του γεωϋλικού Πορώδες Το πορώδες του εδάφους είναι ένα μέτρο των διακένων (πόρων, ρωγμών, κενών κτλ.) που περιέχονται σε αυτό και εκφράζεται με το λόγο του συνολικού όγκου των διακένων (V v ) προς τον ολικό όγκο (V t ) του πετρώματος ή εδάφους, δηλαδή (n=v v / V t ) Επομένως εκφράζεται το ολικό πορώδες (n) (total porosity) του πετρώματος ή εδάφους, ενώ υπάρχει και το ενεργό πορώδες (n e ) (effective porosity) που αναφέρεται στο ποσό μόνον των διακένων που επικοινωνούν μεταξύ τους και επιτρέπουν έτσι τη ροή του νερού υπό την επίδραση της βαρύτητας ή της υδροστατικής πίεσης και εκφράζεται με το λόγο του όγκου που καταλαμβάνουν τα διάκενα αυτά προς το συνολικό όγκο του πετρώματος ή εδάφους. Το πορώδες (Σχήμα 3.13) μπορεί να είναι πρωτογενές ή δευτερογενές. Πρωτογενές (primary) είναι το πορώδες που αναφέρεται στη δομή του γεωϋλικού και οφείλεται στα διάκενα που δημιουργήθηκαν από τις γεωλογικές διαδικασίες κατά τη διάρκεια του σχηματισμού του (π.χ η διεργασία της διαγένεσης στα ιζηματογενή πετρώματα). Δευτερογενές (secondary) είναι το πορώδες που οφείλεται στα διάκενα που δημιουργήθηκαν μετά το σχηματισμό των γεωϋλικών (κυρίως πετρωμάτων) από Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 17

18 Ζώνη αερισμού Γεωλογία για Πολιτικούς Μηχανικούς. Κεφάλαιο 3: «Τεχνικά χαρακτηριστικά πετρωμάτων διάφορες εξωτερικές διαδικασίες (ασυνέχειες και κερματισμός λόγω τεκτονισμού, ρωγμές από διάλυση ή αποσάθρωση κτλ.). Επιφάνεια εδάφους Υποζώνη εδαφικού νερού Νερό συγκράτησης Ενδιάμεση υποζώνη Τριχοειδής υποζώνη ΣΤΑΘΜΗ ΥΔΡΟΦΟΡΟΥ Νερό βαρύτητας Ζώνη κορεσμού υπόγειο νερό Σχήμα Υποδιαιρέσεις του υπεδαφικού νερού στο έδαφος Σχήμα Παραδείγματα διακένων γεωϋλικών: (a) πτωχή διαβάθμιση και υψηλό πορώδες, (b) καλή διαβάθμιση και χαμηλό πορώδες, (c) πτωχή διαβάθμιση σε πορώδη χαλίκια και πολύ υψηλό πορώδες, (d) καλή διαβάθμιση με παρουσία ορυκτών υλών στα διάκενα και χαμηλό πορώδες, (e) πέτρωμα που οφείλει το πορώδες σε διάλυση και (f) σε ασυνέχειες (δευτερογενή πορώδη). Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 18

19 Διαπερατότητα Διαπερατότητα (permeability) είναι η ικανότητα που έχει ένας γεωλογικός σχηματισμός (έδαφος ή πέτρωμα), να επιτρέπει τη διείσδυση και κυκλοφορία του νερού δια μέσου αυτού. Η διαπερατότητα εξαρτάται κυρίως από το πορώδες και μάλιστα το ενεργό πορώδες και συνήθως ονομάζεται υδροπερατότητα (ή υδατοπερατότητα) καθόσον αναφέρεται στην κυκλοφορία του νερού. Περιγράφεται με το συντελεστή διαπερατότητας (k), που εκφράζει τη διαπερατότητα (υδροπερατότητα) του γεωλογικού σχηματισμού και ισούται αριθμητικά με την ταχύτητα ροής στην περίπτωση που η υδραυλική κλίση ισούται με τη μονάδα. Έχει μονάδες ταχύτητας (cm/sec) και εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του γεωλογικού σχηματισμού και συγκεκριμένα από το ενεργό πορώδες (σχέση ανάλογη) και την ειδική επιφάνεια των κόκκων δηλ. τη συνολική τους επιφάνεια ανά μονάδα όγκου (σχέση αντιστρόφως ανάλογη). Ενδεικτική ταξινόμηση των γεωϋλικών με βάση το συντελεστή k διαπερατότητας, φαίνεται στον Πίνακα 3.3. Πίνακας 3.3. Τυπικές τιμές συντελεστών διαπερατότητας (TERZAGHI and PECK, 1967) Υδρολιθολογική ταξινόμηση γεωϋλικών Οι διάφοροι γεωλογικοί σχηματισμοί ανάλογα με τη δυνατότητα που παρέχουν στο νερό να διεισδύσει και να διακινηθεί δια μέσου των υφιστάμενων στη μάζα τους διακένων (πρωτογενές δευτερογενές πορώδες) υπό την επίδραση της βαρύτητας ή της υδροστατικής πίεσης, ταξινομούνται στις παρακάτω κατηγορίες (Πίνακας 3.4): (1) Υδροπερατοί : ονομάζονται τα γεωϋλικά (εδάφη βράχοι) τα οποία επιτρέπουν τη διείσδυση και κυκλοφορία του νερού δια μέσου αυτών και διακρίνονται σε δύο κατηγορίες : Υδροπερατά λόγω πόρων (μικροδιαπερατά) : είναι τα γεωϋλικά τα οποία είτε είναι ασύνδετα και χαλαρά εδάφη (άμμοι, αμμοχάλικα, χαλίκια, κροκάλες κτλ), είτε συμπαγή (βράχοι) των οποίων η σύνδεση και συγκόλληση έχει γίνει κατά τέτοιο τρόπο ώστε να έχουν αποκτήσει πορώδη υφή και οι διαστάσεις των πόρων είναι τέτοιες, ώστε να επιτρέπουν την κυκλοφορία του νερού μέσα από αυτούς. Δηλαδή η υδροπερατότητα των γεωϋλικών αυτών οφείλεται στο πρωτογενές πορώδες. Υδροπερατά λόγω διαρρήξεων (μακροδιαπερατά) : είναι οι βραχόμαζες οι οποίες επιτρέπουν την κυκλοφορία του νερού δια μέσου των ρωγμών, διαρρήξεων, αγωγών από διάλυση (καρστικών), διακλάσεων κ.λπ. που διατέμνουν αυτές. Δηλαδή η υδροπερατότητα των γεωϋλικών αυτών οφείλεται στο δευτερογενές πορώδες. Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 19

20 Είναι πολύ συνηθισμένο διάφορα πετρώματα να είναι συγχρόνως μικροδιαπερατά και μακροδιαπερατά. (2) Υδατοστεγείς ή αδιαπέρατοι : στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι γεωλογικοί σχηματισμοί που δεν επιτρέπουν την κυκλοφορία των νερών δια μέσου αυτών, υπό την επίδραση της βαρύτητας ή της υδροστατικής πίεσης. Πίνακας 3.4. Υδρολιθολογική ταξινόμηση γεωϋλικών ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ ΥΠΟΚΑΤΗΓΟΡΙΑ ΓΕΩΫΛΙΚΑ Υδροπερατοί Αδιαπέρατοι υδατοστεγείς Λόγω πόρων (μικροδιαπερατοί) Λόγω διαρρήξεων ασυνεχειών (μακροδιαπερατοί) άμμοι, χαλίκια, αμμοχάλικα, πορώδη πετρώματα ασβεστόλιθοι, ψαμμίτες και διαρρηγμένα πετρώματα Ιλυόλιθοι, μαργόλιθοι, μάργες, άργιλοι Υδροφόροι ορίζοντες Οι υδροφόροι ορίζοντες (aquifers) είναι γενικά γεωλογικοί σχηματισμοί που περιέχουν αρκετές ποσότητες νερού ώστε να τροφοδοτήσουν υδρογεωτρήσεις, πηγάδια και πηγές. Ένας υδροφόρος ορίζοντας αποτελείται από τον υδροφορέα δηλ. το γεωλογικό σχηματισμό που αποθηκεύει και μεταβιβάζει το υπεδαφικό νερό και το υπεδαφικό νερό που βρίσκεται με μορφή νερού συγκράτησης και υπογείου νερού (νερού βαρύτητας). Η επιφάνεια ισορροπίας του υπογείου νερού καλείται πιεζομετρική επιφάνεια του υδροφόρου ορίζοντα και αποτελεί στην ουσία μια επιφάνεια δυναμικής ισορροπίας του υπόγειου νερού. Βασική προϋπόθεση για την ύπαρξη ενός υδροφόρου ορίζοντα είναι η παρουσία ενός αδιαπέρατου γεωϋλικού στη βάση ενός αντίστοιχου υδροπερατού. Οι διάφοροι τύποι υδροφόρων οριζόντων που κυρίως συναντώνται στη φύση είναι: Ελεύθεροι υδροφόροι ορίζοντες: Πρόκειται για τους υδροφόρους στους οποίους, μεταξύ του υδροφορέα και της επιφανείας του εδάφους δεν παρεμβάλλεται αδιαπέρατο γεωλογικό στρώμα (Σχήμα 3.14). Τέτοιοι υδροφόροι ορίζοντες σχηματίζονται σε υδροπερατά γεωϋλικά τα οποία κατά ένα μόνο μέρος του πάχους τους είναι κορεσμένα με νερό και στο υπόβαθρο υπάρχουν σχετικά υδατοστεγή (αδιαπέρατα). Στην ελεύθερη επιφάνεια των υπόγειων νερών των υδροφόρων αυτών οριζόντων (που αποτελεί και την πιεζομετρική επιφάνειά τους), η υδροστατική πίεση ισούται με την ατμοσφαιρική. Για το λόγο αυτόν ονομάζεται και απλά υδροστατική επιφάνεια. Ελεύθεροι υδροφόροι ορίζοντες των οποίων η υδροστατική επιφάνεια βρίσκεται σε μικρό βάθος από την επιφάνεια του εδάφους λέγονται φρεάτιοι υδροφόροι ορίζοντες επειδή η απόληψη νερού από αυτούς μπορεί να γίνει με πηγάδια (φρέατα). Υπό πίεση υδροφόροι ορίζοντες (Αρτεσιανοί): Σχηματίζονται στην περίπτωση όπου ένας υδροπερατός γεωλογικός σχηματισμός (υδροφορέας) βρίσκεται εντειχισμένος μεταξύ αδιαπεράτων και έχει τη δυνατότητα να τροφοδοτηθεί με νερό (Σχήμα 3.15). Οι υδροφόροι αυτοί ορίζοντες είναι κορεσμένοι με νερό σε Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 20

21 ολόκληρο το πάχος τους και η πίεση του νερού είναι μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής. Για το λόγο αυτόν, η πιεζομετρική τους επιφάνεια βρίσκεται υψηλότερα από την πάνω διαχωριστική επιφάνεια υδροπερατού - αδιαπέρατου γεωλογικού σχηματισμού και έχει σαν αποτέλεσμα την άνοδο του υπόγειου νερού μέσα στα έργα υδροληψίας (π.χ υδρογεωτρήσεις) πολλές φορές και μέχρι την επιφάνεια του εδάφους. Υπό μερική πίεση υδροφόροι ορίζοντες: Πρόκειται για υδροφόρους ορίζοντες ανάλογους με τους υπό πίεση με τη διαφορά ότι ο υπερκείμενος γεωλογικός σχηματισμός δεν είναι αδιαπέρατος αλλά παρουσιάζει μικρή υδροπερατότητα. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι όταν το υποκείμενο γεωλογικό στρώμα ενός υδροφόρου ορίζοντα είναι στεγανό, ο τύπος του υδροφόρου ορίζοντα καθορίζεται από την υδραυλική συμπεριφορά του γεωλογικού στρώματος της οροφής του Υδρομαστευτικά έργα Υδρομάστευση είναι η λήψη νερού από υδροφόρους ορίζοντες ή από πηγές με την κατασκευή του κατάλληλου τεχνικού έργου. Τα έργα με τα οποία γίνεται η υδρομάστευση λέγονται υδρομαστευτικά έργα. Σκοπός των υδρομαστευτικών έργων είναι κυρίως η εκμετάλλευση των υπόγειων νερών αλλά επίσης και ο έλεγχός τους (π.χ. η αποστράγγιση στα πλαίσια της κατασκευής τεχνικών έργων). Αυτά διακρίνονται κυρίως σε οριζόντια, κατακόρυφα καθώς και σε συνδυασμό των δύο αυτών κατηγοριών. Τα κατακόρυφα υδρομαστευτικά έργα (συνήθως αναφέρονται σαν «πηγάδια») διακρίνονται σε: βαθειά ( που έχουν βάθος μεγαλύτερο των 20m). Στα έργα αυτά ανήκουν κυρίως οι γνωστές υδρογεωτρήσεις. ρηχά που είναι κυρίως σκαφτά αλλά και διάτρητα και το βάθος τους σπάνια ξεπερνά τα 20m Τα οριζόντια υδρομαστευτικά έργα είναι κυρίως γαλαρίες ή στοές και οριζόντια στραγγιστήρια (δηλ. οριζόντιες υδρογεωτρήσεις) που κυρίως γίνονται για αποστράγγιση. Οι υδρογεωτρήσεις που αποτελούν και το συνηθέστερο τύπο υδρομαστευτικού έργου, διανοίγονται συνήθως σε μεγάλα βάθη και απαιτούν για την εκτέλεσή τους ειδικό μηχανολογικό εξοπλισμό (υδρογεωτρύπανα). Η διάτρηση γίνεται συνήθως περιστροφικά και το βάθος της υδρογεώτρησης καθορίζεται με βάση υδρογεωλογικά κριτήρια αφού προηγηθεί υδρογεωλογική μελέτη. Κατά τη διάτρηση γίνεται προοδευτική σωλήνωση για τη συγκράτηση κυρίως των τοιχωμάτων της γεώτρησης, με διάμετρο που κυμαίνεται συνήθως από 8 μέχρι 24. Η διάμετρος της υδρογεώτρησης εξαρτάται από το τελικό βάθος που προβλέπεται να φθάσει, αλλά κυρίως από την τελικά επιθυμητή παροχή άντλησης του υπόγειου νερού. Όταν ολοκληρωθεί η διάτρηση γίνεται τοποθέτηση ειδικών φίλτρων στα βάθη λήψης του υπόγειου νερού για να προστατευθεί η καλή λειτουργία και απόδοση της υδρογεώτρησης και τέλος τοποθετείται αντλητικό συγκρότημα για την άντληση του υπόγειου νερού. Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 21

22 Σχήμα Ελεύθερος υδροφόρος ορίζοντας Σχήμα 3.15.Υπό πίεση υδροφόρος ορίζοντας (αρτεσιανός) Επίδραση του υπόγειου νερού στα γεωϋλικά Η παρουσία υπόγειου νερού αποτελεί γενικά «πρόβλημα» στην κατασκευή των τεχνικών έργων αφού επιδρά συνήθως «δυσμενώς» στα γεωϋλικά καθόσον προκαλεί: (1) Μείωση αντοχής του γεωϋλικού λόγω: (α) πιθανής αλλοίωσης και διάβρωσής του (π.χ. καρστική διάβρωση ασβεστολίθων), και (β) μείωση της αντοχής του γεωϋλικού λόγω πιέσεων που ασκούνται στους πόρους του (πιέσεις πόρων) ή στις ρωγμές ασυνέχειες (υδροστατικές πιέσεις) (2) Καθιζήσεις λόγω συμπύκνωσης του γεωϋλικού από απομάκρυνση του νερού που περιέχει κάτω από τα φορτία μιας κατασκευής ή από το ίδιο το βάρος του γεωϋλικού Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 22

23 (3) Εισροές (κυρίως σε υπόγεια έργα, εκσκαφές κάτω από τον υδροφόρα ορίζοντα) (4) Υπόγεια διάβρωση από διαφυγές λόγω απομάκρυνσης των κόκκων του υλικού που παρασύρονται από την υπόγεια ροή 3.5. ΑΛΛΑΓΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΤΟΥ ΓΕΩΫΛΙΚΟΥ ΜΕ ΤΟ ΧΡΟΝΟ Γενικά Στις αλλαγές μεταβολές του γεωϋλικού με το χρόνο εντάσσονται τα φαινόμενα: (α) της αποσάθρωσης που είναι η αλλοίωση (συνήθως χημική) της δομής και σύστασής του με αποτέλεσμα τη μείωση της αντοχής του. Εδώ ενδιαφέρει η «χρονικά γρήγορη» αποσάθρωση κάποιων αργιλικής σύστασης γεωϋλικών (πετρωμάτων) που περιγράφεται με την ανθεκτικότητα σε χαλάρωση (slaking durability) (βλέπε σελ.9) που βέβαια εξελίσσεται στο χρονικό πλαίσιο της «ζωής» ενός τεχνικού έργου και μπορεί να επηρεάσει αυτό άμεσα, και (β) τα φαινόμενα αστάθειας του γεωϋλικού τα οποία ταξινομούνται στο γνωστό πρόβλημα των κατολισθήσεων και των εδαφικών μετακινήσεων το οποίο αναλύεται στη συνέχεια λεπτομερέστερα Κατολισθήσεις Γενικά Κατολίσθηση (landslide), με τη γενική έννοια του όρου, είναι κάθε αλλαγή, μικρή ή μεγάλη, της επιφάνειας μιας κλιτύος (φυσικού ή τεχνικού πρανούς) που συνοδεύεται με μετακίνηση υλικού, με ρήξη ή όχι της συνέχειάς της, αργή ή ξαφνική, που προέρχεται από δυνάμεις βαρύτητας και οφείλεται σε φυσικά ή τεχνικά αίτια. Η κατολίσθηση είναι δηλαδή το αποτέλεσμα της αναζήτησης μιας νέας κατάστασης ισορροπίας του εδάφους που εκτός από την περίπτωση των τεχνικών αιτίων, αποτελεί μία φυσική γεωμορφολογική εξέλιξη. Ο TERZAGHI (1950) ορίζει την κατολίσθηση σαν «μία γρήγορη κίνηση μάζας πετρώματος, υπολειμματικού (residual) εδάφους ή ιζήματος ενός πρανούς, της οποίας το κέντρο βάρους μετακινείται προς τα κάτω και προς τα έξω». Η ευρύτητα που αποδίδεται στον όρο φαίνεται και από τον ορισμό που δίνει ο CRUDEN (1991), σαν Ομάδα Εργασίας της UNESCO για τη διεθνή καταγραφή των κατολισθήσεων (WP/WLI), ο οποίος ορίζει την κατολίσθηση σαν «την κίνηση μιας μάζας βράχου, εδάφους ή κορημάτων προς τα κατάντη ενός πρανούς» Ταξινόμηση κατολισθήσεων Ο VARNES (1978) πρότεινε ένα σύστημα ταξινόμησης κατολισθήσεων που περιλαμβάνει όλες τις εδαφικές μετακινήσεις που μπορούν να παρατηρηθούν σε πρανή εκτός βέβαια των καθιζήσεων. Τα βασικά κριτήρια για την ταξινόμηση είναι: (α) ο τύπος της μετακίνησης, και (β) το είδος τύπος του μετακινούμενου υλικού. Ανάλογα με τον τύπο της μετακίνησης διακρίνονται: πτώσεις, ανατροπές, ολισθήσεις, πλευρικές εξαπλώσεις και ροές, ενώ μια επιπλέον ομάδα περιλαμβάνει τις σύνθετες μετακινήσεις που αποτελούν συνδυασμό περισσότερων τύπων μετακίνησης. Ανάλογα με τον τύπο του γεωϋλικού που μετακινείται διακρίνονται κινήσεις οι οποίες εκδηλώνονται: α) στο βραχώδες υπόβαθρο (bedrock), και β) στους εδαφικούς σχηματισμούς (engineering soils) που διακρίνονται σε κορήματα (debris) και σε γαίες Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 23

24 (earth). Στον Πίνακα 3.5 φαίνονται συνοπτικά οι διάφοροι τύποι μετακίνησης πρανών που προκύπτουν από τους συνδυασμούς των παραπάνω τύπων μετακίνησης και του είδους του μετακινούμενου υλικού. Πίνακας 3.5. Ταξινόμηση μετακίνησης πρανών κατά VARNES (1978). ΣΗΜ. Ο όρος «κορήματα» αποδίδεται με την έννοια του αδρομερούς υλικού και όχι πάντα με τη γεωλογική του σημασία Σύμφωνα με την παραπάνω ταξινόμηση σα βραχώδες υπόβαθρο ορίζεται η βραχομάζα εκείνη η οποία πριν από την εκδήλωση της κατολίσθησης ήταν ένα σκληρό συνεκτικό πέτρωμα που βρισκόταν από γεωλογική άποψη στη φυσική του θέση, ενώ σαν έδαφος (soil), τα χαλαρά ή ασθενώς συνδεδεμένα συσσωματώματα ορυκτών και πετρωμάτων που έχουν προκύψει από αποσάθρωση, διάβρωση και μεταφορά προϋπαρχόντων πετρωμάτων ή από την επιτόπου αποσάθρωσή τους. Τα εδάφη διακρίνονται περαιτέρω σε: (α) γαίες (earth) δηλαδή εδαφικά υλικά τα οποία με βάση τη μηχανική τους ταξινόμηση, ποσοστό μεγαλύτερο του 80% της μάζας τους έχει μέγεθος μικρότερο των 2 mm (κλάσμα άμμου, ιλύος και αργίλου) και (β) σε κορήματα (debris), δηλαδή εδαφικά υλικά που περιέχουν ποσοστό 20 80% χονδρόκοκκων υλικών μεγέθους μεγαλύτερου των 2 mm (χαλίκια, κροκάλες, λατύπες, ογκόλιθοι), ενώ το υπόλοιπο ποσοστό τους είναι μικρότερο των 2 mm. Βέβαια ο όρος «κορήματα» έχει σχέση με την κοκκομετρική διαβάθμιση του εδαφικού υλικού (δηλαδή αναφέρεται σε αδρομερή χονδρόκοκκα υλικά) και όχι με την καθαρώς γεωλογική του έννοια. Η παραπάνω διάκριση αναφέρεται στα υλικά της μάζας της κατολίσθησης πριν εκδηλωθεί το φαινόμενο. Έτσι, λέγοντας κατάπτωση βράχου (rock fall), εννοείται ότι πριν την εκδήλωση της κατολίσθησης, η μάζα ήταν βραχώδης η οποία μετά την κατολίσθηση πιθανό να μετατράπηκε σε κορήματα (θραύσματα πετρώματος). Στη συνέχεια δίνεται μια σχετικά συνοπτική περιγραφή κάθε τύπου μετακίνησης, σύμφωνα με το σύστημα ταξινόμησης του Varnes, που συμπληρώνεται και «εμπλουτίζεται» από άλλες πρόσφατες θεωρήσεις και εμπειρίες σχετικά με τα είδη και τους τύπους των κατολισθητικών κινήσεων. Θα πρέπει να σημειωθεί, ότι η συγκεκριμένη ταξινόμηση των κατολισθήσεων χρησιμοποιείται πλέον σε διεθνές επίπεδο, ενώ διάφορες επιμέρους τροποποιήσεις που πιθανά γίνονται για την προσαρμογή της ταξινόμησης στις εκάστοτε τοπικές γεωλογικές συνθήκες, είναι πάντα μέσα στα πλαίσια της γενικότερης εφαρμογής της. Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 24

25 Καταπτώσεις (falls) Στις καταπτώσεις, μια μάζα (κυρίως πετρώματος αλλά και συνεκτικού εδάφους) οποιουδήποτε μεγέθους, αποσπάται από ένα απότομο εδαφικό ή βραχώδες πρανές, κατά μήκος μιας επιφάνειας, χωρίς ή με ελάχιστη διατμητική μετατόπιση και η πτώση γίνεται κυρίως ελεύθερα (ελεύθερη πτώση), με αναπήδηση ή κύλιση στην επιφάνεια του πρανούς. Η μετακίνηση είναι πολύ μέχρι εξαιρετικά γρήγορη και είναι δυνατό να έχουν προηγηθεί αυτής μικρότερες μετακινήσεις που οδήγησαν στον προοδευτικό αποχωρισμό της μετακινούμενης μάζας από το μητρικό πέτρωμα. Το φαινόμενο των καταπτώσεων είναι συνηθισμένο στα απότομα πρανή πολύ συνεκτικών εδαφών ή βράχων, τα οποία υποσκάπτονται από την ενέργεια θαλάσσιων κυμάτων ή το ρεύμα ποταμών ή ακόμα από ανθρωπογενή παρέμβαση. Σε απότομα πρανή με κλίση μεγαλύτερη του 4:1 (ύψος: βάση δηλ. με κλίση περίπου 76 ), παρατηρούνται αστοχίες που εκδηλώνονται συνήθως με ελεύθερη πτώση (free falling) της μάζας που αποκόπτεται από το πρανές. Σε ηπιότερα πρανή παρατηρείται αναπήδηση (bouncing) της μάζας πάνω στο πρανές και θραύση σε μικρότερα τεμάχη, το μέγεθος των οποίων εξαρτάται από το είδος του υλικού και τη γωνία πρόσπτωσης. Σε πρανή με κλίση μικρότερη των 45 (1:1), η κύρια κίνηση των καταπτώσεων μετατρέπεται σε κύλιση (rolling). Έτσι σε ένα πρανές που παρουσιάζει μεταβολές στην κλίση του, είναι δυνατό η κίνηση της μάζας να μετατρέπεται από ελευθέρα πτώση σε αναπήδηση και κύλιση και αντίστροφα. Στο Σχήμα 3.16 φαίνονται μερικές χαρακτηριστικές περιπτώσεις καταπτώσεων Ανατροπές (topples) Οι ανατροπές είναι παρόμοιες με τις καταπτώσεις με τη διαφορά ότι γίνεται μια περιστροφή της αποσπώμενης μάζας από ένα βραχώδες κυρίως πρανές, γύρω από σημείο ή άξονα περιστροφής που βρίσκεται χαμηλότερα από το κέντρο βάρους της μετακινούμενης μάζας και στη συνέχεια πτώση. Προκαλείται κυρίως από τη βαρύτητα και από τις δυνάμεις που ασκούνται από τα γειτονικά τεμάχη ή από την επίδραση του νερού (υδροστατικές πιέσεις, παγετός) που γεμίζει τις ασυνέχειες και ρωγμές. Η ανατροπή της μάζας εξελίσσεται συνήθως σε πτώση ή ολίσθηση, ανάλογα με τη γεωμετρία του πρανούς και της μετακινούμενης μάζας, καθώς και της επιφάνειας αποκόλλησης. Η ταχύτητα μετακίνησης μπορεί να είναι εξαιρετικά αργή στα αρχικά στάδια και να μετατραπεί σε εξαιρετικά γρήγορη στα τελευταία στάδια Ολισθήσεις (slides) Στις ολισθήσεις, η μετακίνηση προϋποθέτει κυρίως διατμητική παραμόρφωση και μετατόπιση θραύση του γεωϋλικού κατά μήκος μιας ή περισσότερων επιφανειών, που μπορεί να είναι ορατές ή όχι και να εκδηλώνονται μέσα σε μια σχετικά στενή ζώνη. Η μετακίνηση μπορεί να είναι προοδευτική, δηλαδή η διατμητική θραύση να μη συμβαίνει ταυτόχρονα σε όλη την επιφάνεια που θα αποτελέσει τελικά την επιφάνεια θραύσης, αλλά να επεκτείνεται διαδοχικά πέρα από την αρχική περιοχή τοπικής θραύσης. Η μάζα που μετατοπίζεται μπορεί να ολισθήσει προς τα κατάντη απομακρυνόμενη από την αρχική επιφάνεια θραύσης. Στους βραχώδεις γεωλογικούς σχηματισμούς η ολίσθηση μπορεί να συνίσταται από μετατόπιση μετακίνηση επάνω σε καλά διαμορφωμένες επιφάνειες ασυνεχειών (στρώση, διάκλαση, σχιστότητα κ.λπ.) χωρίς να παρατηρείται πρωτογενής «θραύση» του υλικού οπότε και η επιφάνεια ολίσθησης να είναι σαφώς καθορισμένη. Έτσι, είναι δυνατό η ολισθαίνουσα μάζα να κινηθεί πάνω στην επιφάνεια ολίσθησης, η οποία και αποτελεί Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 25