ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ MΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΓΕΩΛΟΓΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝ. ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ & Υ ΡΟΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΗΡΩΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟΥ 9, 157 80 ΖΩΓΡΑΦΟΥ, ΑΘΗΝΑ NATIONAL TECHNICAL UNIVERSITY OF ATHENS SCHOOL OF MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING DEPARTMENT OF GEOLOGICAL SCIENCES LABORATORY OF ENG. GEOLOGY & HYDROGEOLOGY 9, HEROON POLYTECHNIOU STR., 157 80 ZOGRAFOU, ATHENS ΑΣΚΗΣΗ 5 η ΤΕΧΝΙΚΗ ΓΕΩΛΟΓΙΑ Ι ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΠΙΜΕΤΡHΣΗ ΥΠΟΓΕΙΟΥ ΣΤΕΓΑΝΟΠΟΙΗΤΙΚΟΥ ΙΑΦΡΑΓΜΑΤΟΣ ΜΕ ΤΣΙΜΕΝΤΕΝΕΣΕΙΣ Στον άξονα φράγματος το οποίο θεμελιώνεται σε περιοχή της Δυτ. Ελλάδος που δομείται από αποσαθρωμένο φλύσχη, πρέπει να κατασκευαστεί στεγανοποιητικό διάφραγμα με τσιμεντενέσεις. Το διάφραγμα (κουρτίνα τσιμεντενέσεων) πρέπει να έχει διαστάσεις 50 μέτρων βάθους και 900 μέτρων μήκους. Πριν από τη στεγανοποίηση έγιναν δοκιμαστικές τσιμεντενέσεις σε γεωτρήσεις βάθους 50 μέτρων με μίγμα αποτελούμενο από τα εξής υλικά: 100 Kg τσιμέντο, το ειδικό βάρος του οποίου ήταν 2,8gr/cm 3, 150 Kg νερό (ειδικό βάρος 1 gr/cm 3 ) και για τη βελτίωση της κινητικότητας του τσιμεντενέματος 3 Kg μπεντονίτη, το ειδικό βάρος του οποίου ήταν 2,8gr/cm 3. Οι δοκιμαστικές τσιμεντενέσεις απέδειξαν την καταλληλότητα του προαναφερόμενου μίγματος για την κατασκευή του διαφράγματος. Κατά την κατασκευή του έργου οι τσιμεντενέσεις πραγματοποιήθηκαν σε γεωτρήσεις τριών τάξεων. Οι γεωτρήσεις πρώτης τάξης (Γ Α1, Γ Α2, Γ Α3.) ανορύχθηκαν ανά 6m και η απορρόφηση ενέματος σε αυτές ήταν 240lit/m. Οι γεωτρήσεις δεύτερης τάξης (Γ Β1, Γ Β2, Γ Β3.) ανορύχθηκαν στο μέσο της απόστασης μεταξύ των γεωτρήσεων πρώτης τάξης και η απορρόφηση ενέματος έφτασε τα 180lit/m. Ενώ τέλος, οι γεωτρήσεις τρίτης τάξης (Γ Γ1, Γ Γ2, Γ Γ3.) ανορύχθηκαν στα μεσοδιαστήματα μεταξύ των γεωτρήσεων πρώτης και δεύτερης τάξης και η απορρόφηση ενέματος έφτασε τα 40lit/m. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι η διαδοχή των γεωτρήσεων είναι η εξής: Γ Α1 - Γ Γ1 - Γ Β1 - Γ Γ2 - Γ Α2 - Γ Γ3 - Γ Β2 - Γ Γ4 - Γ Α3 - Γ Γ5 - Γ Β3 Ζητούνται: Πόσες γεωτρήσεις πρέπει να ορυχτούν στην απόσταση των 900 μέτρων για να κατασκευαστεί το στεγανοποιητικό διάφραγμα με τσιμεντενέσεις; Πόσα μέτρα θα στεγανοποιηθούν στο σύνολο των γεωτρήσεων; Η στεγανοποίηση γίνεται ανά 5 μέτρα, σε ανιόντα βήματα (από κάτω προς τα πάνω). Να υπολογιστεί η ποσότητα καθ ενός από τα συστατικά του μίγματος για το σύνολο των γεωτρήσεων, ώστε να επιτύχουμε το διάφραγμα
στεγανοποίησης, καθώς και η επί τοις εκατό (%) περιεκτικότητα των συστατικών του μίγματος (κατά βάρος). Να επιμετρηθεί ο όγκος του κενού χώρου που πρόκειται να στεγανοποιηθεί, μέσα στον αποσαθρωμένο φλύσχη.
ΕΝΕΜΑΤΑ ΓΕΝΙΚΑ Η σταθεροποίηση και η στεγανοποίηση των γεωλογικών σχηματισμών με τη χρήση των ενεμάτων, εντάσσονται στα πλέον αποτελεσματικά μέτρα βελτίωσης της γεωτεχνικής συμπεριφοράς γεωλογικών σχηματισμών. Έτσι, ο όρος Ένεμα αναφέρεται σε κάθε ρευστό υλικό το οποίο εισπιέζεται μέσα σε ένα γεωλογικό σχηματισμό, με σκοπό είτε τη βελτίωση της αντοχής αυτού, είτε τη μείωση της υδροπερατότητάς του είτε το συνδυασμό και των δύο, δηλαδή τη μείωση της υδροπερατότητας, αλλά και την αύξηση της αντοχής. Η τεχνική των ενέσεων είναι πολύ παλαιότερη της χρήσης του τσιμέντου τύπου Portland που θεωρείται γενικά το βασικό στοιχείο ενέσεων στις περισσότερες περιπτώσεις. Οι αστοχίες των αρχικά χρησιμοποιουμένων ενεμάτων από τσιμέντο ή και αργίλους, σε εδάφη με αυξημένη περατότητα και με την παρουσία υπόγειου νερού, οδήγησε στη χρήση πλέον εξειδικευμένων τύπων ενεμάτων. Συνεπώς, η επιλογή του πλέον κατάλληλου υλικού που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ένεμα πρέπει να γίνεται μετά από καλή γνώση: της φύσης και του μεγέθους των κενών που πρόκειται να πληρωθούν, της διαπερατότητας του γεωλογικού σχηματισμού που πρόκειται να στεγανοποιηθεί, αλλά και των φορτίων λειτουργίας που πρόκειται να παραλάβει. ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ Ε ΑΦΟΥΣ - ΕΝΕΜΑΤΟΣ Αντιμετωπίζοντας το πρόβλημα επιλογής του κατάλληλου ενέματος, πέρα από τη γνώση των ιδιοτήτων εδάφους και ενέματος, πρέπει να είναι κατανοητός ο τρόπος αλληλεπίδρασης αυτών, αλλά και ο τρόπος απόθεσης του ενέματος στα κενά του εκάστοτε γεωλογικού σχηματισμού. Αναφορικά με τον τρόπο απόθεσης υπάρχουν τρεις βασικές κατηγορίες ενεμάτων που μπορεί να επιλεγούν, ανάλογα με τον επιδιωκόμενο στόχο: Η πρώτη κατηγορία αφορά τα ενέματα που μπορούν να πληρώσουν το χώρο μεταξύ των δομικών στοιχείων του εδάφους, δηλαδή να εκδιώξουν όλο το νερό που υπάρχει εκεί, αλλά παράλληλα να παραμείνουν σταθερά στη θέση αυτή. Με τα ενέματα αυτά επιτυγχάνεται αύξηση της αντοχής και μείωση της διαπερατότητας του γεωλογικού σχηματισμού (ιδεώδη ενέματα). 1
Η δεύτερη κατηγορία αναφέρεται σε ενέματα που επιχρίουν απλά τους κόκκους του εδαφικού υλικού χωρίς να γεμίζουν πλήρως τους πόρους μεταξύ αυτών. Με άλλα λόγια αυξάνουν την αντοχή του σχηματισμού αλλά δεν μειώνουν παρά ελάχιστα τη διαπερατότητα αυτού. Η τρίτη κατηγορία αφορά σε ενέματα που δεν απομακρύνουν πλήρως το νερό από τα κενά αλλά του περιορίζουν το χώρο δράσης, με αποτέλεσμα να παραμένει στην επιφάνεια των δομικών κόκκων του εδαφικού υλικού. Έτσι μειώνουν το συντελεστή υδροπερατότητας του σχηματισμού αλλά δεν αυξάνουν την αντοχή αυτού. Πέρα από τις τρεις κατηγορίες ενεμάτων που αναφέρθηκαν παραπάνω, υπάρχει και μια τέταρτη που αναφέρεται σε περιπτώσεις που το ένεμα είναι κακής επιλογής. Στην περίπτωση αυτή το ένεμα και η όλη προσπάθεια καταλήγουν σε αποτυχία αφού δεν επέρχεται καμία βελτίωση ούτε στην αντοχή ούτε στη μείωση της διαπερατότητας. Τα κενά που πληρώνονται με ένεμα μπορεί να είναι: (α) σπηλαιώδη ανοίγματα, (β) ρήγματα, (γ) διαρρήξεις διακλάσεις, (δ) λοιπές ασυνέχειες των βραχωδών σχηματισμών, καθώς και (ε) το πορώδες των κοκκωδών εδαφικών σχηματισμών. Για την επίτευξη καλής στεγανοποίησης και αύξησης της αντοχής, είναι κατανοητό ότι υπάρχουν διαφοροποιήσεις στη διαδικασία, στον τρόπο ανάμιξης, αλλά κύρια στο είδος των διαφόρων συστατικών που συνιστούν τα ενέματα. Από τα παραπάνω γίνεται αντιληπτό ότι ένα ένεμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί, πρέπει: να είναι κατάλληλο για εισπίεση, να αλλάζει η φυσική του κατάσταση σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα, και να μην απομακρύνεται από τη θέση στην οποία έχει εισπιεστεί πριν αποκτήσει τη φυσική κατάσταση που απαιτείται για το σκοπό που έχει επιλεγεί. ΚΥΡΙΑ ΕΙ Η ΕΝΕΜΑΤΩΝ Μερικά από τα πλέον ευρέως χρησιμοποιούμενα ενέματα περιγράφονται παρακάτω με τις σχετικές για το καθένα παρατηρήσεις: Τσιμέντο: Το τσιμέντο αν και είναι το πλέον γνωστό υλικό ενέματος αλλά και το πλέον φθηνό, έχει σαν βασικό μειονέκτημα ότι χρειάζεται πολλές μέρες για να αποκτήσει τις κατάλληλες ιδιότητες από πλευράς αντοχής. Στην περίπτωση αυτή πρέπει να χρησιμοποιείται τσιμέντο πολύ πλούσιο σε οξείδιο του αργιλίου (Al 2 O 3 ), δηλαδή τσιμέντο τύπου Portland. Αντίθετα, τσιμέντα που περιλαμβάνουν θειικό ασβέστιο (CaSO 4 ), δηλαδή γύψο, κρίνονται ακατάλληλα για ενέματα γενικής χρήσης. Επιπρόσθετα το τσιμέντο έχει σχετικά μεγάλα σωματίδια και επομένως η χρήση του περιορίζεται σε εδάφη με μεγάλους πόρους ή και σε πετρώματα με σχετικά μεγάλο 2
άνοιγμα ασυνεχειών. Εν τούτοις υπάρχουν τρόποι για να βελτιωθεί η ευκινησία του τσιμέντου, όπως η ανάμιξή του με ειδικές αργίλους, π.χ. με μπεντονίτη. Η αναλογία τσιμέντου αργίλου εξυπακούεται ότι εξαρτάται από το αποτέλεσμα που επιδιώκουμε, δηλαδή τη μείωση της υδροπερατότητας, την αύξηση της αντοχής κλπ. Συνεπώς το μεγάλο μειονέκτημα σε τέτοιου είδους αναμίξεις είναι η υποβάθμιση της αντοχής του τσιμέντου. Ενέματα τσιμέντου - αργίλων: Ενέματα ποικίλης αντοχής μπορεί να προκύψουν με την ανάμιξη τσιμέντου και αργίλων. Μίγματα τσιμέντου και κατάλληλων μπεντονιτικών αργίλων είναι σταθερά σε οποιαδήποτε αναλογία νερού τσιμέντου. Τέτοια μίγματα αυξάνουν το ιξώδες του ενέματος και μπορεί να ετοιμαστούν είτε με τη δημιουργία διαλύματος μπεντονίτη νερού στο οποίο προστίθεται το απαιτούμενο ποσό τσιμέντου είτε με την προανάμιξη μπεντονίτη και τσιμέντου και μετά προσθήκη νερού. Κονιοποιημένη ιπτάμενη τέφρα: Πρόκειται για την τέφρα που απομένει από το κάρβουνο που χρησιμοποιείται σαν καύσιμη ύλη στους ατμοηλεκτρικούς σταθμούς μετά την καύση. Η τέφρα αυτή, που ονομάζεται ιπτάμενη τέφρα (fly ash or fuel ash) και συνίσταται κύρια από πολύ μικρής διαμέτρου σφαιρίδια πυριτίου, παλαιά αποτελούσε το μεγάλο πονοκέφαλο των υπευθύνων των ατμοηλεκτρικών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Σήμερα όμως έχει αρκετές χρήσεις, μια από τις οποίες είναι η χρήση της σαν ένεμα, σε ανάμιξη με τσιμέντο. Χημικά ενέματα: Πέρα από το τσιμέντο και την ιπτάμενη τέφρα, σαν ενέματα χρησιμοποιούνται και διάφορες χημικές ενώσεις είτε με νερό είτε με άλλες ενώσεις. Αποτελούν συνήθως ακριβές λύσεις ενέσεων και χρησιμοποιούνται μόνο σε περιπτώσεις που η αρχική υδροπερατότητα είναι χαμηλής τάξης. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΟΚΙΜΕΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΕΝΕΣΕΩΝ Για την καλύτερη επιλογή του ενέματος είναι αναγκαία μια σειρά από εργαστηριακές δοκιμές. Οι δοκιμές αυτές αφορούν στην κοκκομετρική ανάλυση, στα όρια Atterberg, στα φυσικά χαρακτηριστικά, στους χρόνους απόθεσης και απόθεσης υπό πίεση, στις χημικές αναλύσεις, στο ιξώδες αλλά και σε κύριες μηχανικές ιδιότητες αυτών. Αναλυτικότερα, στο εργαστήριο θα πρέπει να εκτελούνται: Προσδιορισμοί της κοκκομετρικής σύστασης με κόσκινα και αραιόμετρα, Υπολογισμοί του ειδικού βάρους των στερεών υλών αλλά και του ενέματος σαν σύνολο, Προσδιορισμοί των ορίων Atterberg, της φυσικής υγρασίας, αλλά και των οργανικών υλών, 3
Υπολογισμοί του χρόνου ωρίμανσης (πήξης), αλλά και των χρόνων ιζηματαπόθεσης των ενεμάτων (χωρίς και με πίεση, π.χ. στη συσκευή συμπιεστότητας ή στον κύλινδρο της τριαξονικής), Καθορισμός της θερμοκρασίας των ενεμάτων, Χημικές αναλύσεις νερού και στερεών υλών, Μετρήσεις του ιξώδους (με περιστροφικό μετρητή ιξώδους και κώνο Marsh), Προσδιορισμοί της αντοχής σε θλίψη. Ο εξοπλισμός εργοταξίου για τις απαιτήσεις των τσιμεντενέσεων θα πρέπει να διαχωριστεί σε τρεις κατηγορίες. Η πρώτη αναφέρεται στον εξοπλισμό του γεωτρητικού συγκροτήματος, η δεύτερη σε αυτόν της αποθήκευσης των πρώτων υλών και παρασκευής του ενέματος και η τρίτη στον εξοπλισμό εκτέλεσης των ενέσεων. Αναλυτικότερα: Ο εξοπλισμός ανόρυξης των οπών ενεμάτωσης, είναι αυτός ακριβώς που χρησιμοποιείται για την ανόρυξη των δειγματοληπτικών γεωτρήσεων, δηλαδή περιστροφικό γεωτρύπανο, αντλία, στελέχη κοπτικά (διαμάντια ή βίδια) και σωλήνες προσωρινής επένδυσης. Ο εξοπλισμός αποθήκευσης των πρώτων υλών και παρασκευής του ενέματος αποτελείται από το συγκρότημα αποθήκευσης και τροφοδοσίας των πρώτων υλών, καθώς επίσης και τους αναμικτήρες και αναδευτήρες (μαλακτήρες) Κατάλληλοι ζυγοί για τη ζύγιση των στερεών αλλά και μετρητές όγκου των υγρών, ώστε να εξασφαλίζεται το ακριβές μίγμα των ενεμάτων. Ειδικοί κολλοειδείς μαλακτήρες (αναδευτήρες) (π.χ. Swibo ή Colcrete mixer). Η χωρητικότητα του μαλακτήρα (αναδευτήρα) πρέπει να είναι τέτοια ώστε η αντλία να τροφοδοτείται συνεχώς με ένεμα. Συσκευές θέρμανσης (στην περίπτωση χημικών ενεμάτων). Αντλίες πιστονιού διπλής λειτουργίας και υδραυλικά ελεγχόμενες (π.χ. Graelius), που θα επιτρέπουν συνεχή προσαρμογή της πίεσης στις τιμές που θα προσδιοριστούν, ακόμα και αν δεν απορροφάται ένεμα. Για τα χημικά ενέματα μπορεί να χρησιμοποιούνται και αντλίες αναλογικής τροφοδοσίας. Αναδευτήρας για τη διατήρηση του ενέματος στη ρευστή μορφή. Κατάλληλο δίκτυο σωληνώσεων Στο Σχήμα που ακολουθεί δίνεται μια γενική διάταξη των συσκευών που χρησιμοποιούνται στις εισπιέσεις ενεμάτων. 4
5