ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΓΕΩΛΟΓΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΥΔΡΟΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΑ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ Ι ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ 1η ΔΙΑΛΕΞΗ
Η ΤΕΧΝΙΚΗ ΓΕΩΛΟΓΙΑ ΣΑΝ ΚΛΑΔΟΣ ΤΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΑΝΑΓΚΑΙΟΤΗΤΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ Λατομεία ορυχεία- μεταλλεία: πρώτα κοινά πεδία έρευνας γεωλόγου και μηχανικού. Αποτελέσματα συνεργασίας: απουσίαζε η κοινή γλώσσα, απογοητευτικά αφού Έτσι, Σοβαρές αστοχίες με υλικές ζημιές και δυστυχώς ανθρώπινα θύματα σε ορισμένες περιπτώσεις. Παραδείγματα αστοχιών διεθνώς: φράγματα Vayont Ιταλίας, Malpasset Γαλλίας, St. Francis Αμερικής, Περδίκκα Ελλάδας. Άλλα έργα: σήραγγα Seikan Ιαπωνίας, πύργος Πίζας Ιταλίας κ.λ.π. Έργα όπως, θερμοπυρηνικοί σταθμοί, χώροι διάθεσης των αποβλήτων, πηγών ενέργειας απαιτούν πλήρη κατανόηση των γεωλογικών πληροφοριών Σύμφωνα με στοιχεία Μεγάλων Φραγμάτων: της Διεθνούς Επιτροπής (a) Από 9.000 μεγάλα φράγματα της περιόδου 1900-1965, ενενήντα καταστράφηκαν και διακόσια παρουσίασαν σοβαρά προβλήματα λόγω κυρίως γεωλογικών αιτίων. (β) Ανάλογες αστοχίες σημειώθηκαν σε άλλα τεχνικά έργα λόγω πτωχού σχεδιασμού και κακής θεμελίωσης είτε από φυσικά αίτια (κατολισθήσεις, σεισμοί, κλπ) είτε από ανθρωπογενείς παρεμβάσεις. Λεπτομέρειες αστοχιών 1. Φράγμα St. Francis Πρόκειται για φράγμα βαρύτητας από σκυρόδεμα που κατασκευάστηκε το 1926-1928, χωρίς να ζητηθεί η γεωλογική γνώση της περιοχής. Αγνοήθηκε έτσι η
μυλονιτιωμένη ζώνη (τεκτονική επαφή με τους υποκείμενους σχιστόλιθους) και τα κροκαλοπαγή που υπήρχαν στο αριστερό αντέρεισμα. Αμέσως μετά την πλήρωση του φράγματος, το νερό λειτούργησε σαν λιπαντικό στη ζώνη μυλονιτίωσης, ενώ παράλληλα διέβρωσε το συνδετικό υλικό αυτής. 2. Φράγμα Malpasset Το φράγμα αυτό 60m ύψος, τοξωτό διπλής καμπυλότητας (Cupola dam) και το υπόβαθρο στον χώρο κατασκευής αποτελούσαν σερικιτικοί σχιστόλιθοι, αλλά οι έρευνες στην περιοχή δεν εντόπισαν μια ασθενή ζώνη (πιθανώς μυλωνιτίωσης) από άμμο και αργιλική άμμο, που υπήρχε στο χώρο θεμελίωσης (δεν έγινε γεωτεχνική έρευνα με γεωτρήσεις, γεωφυσικά κλπ). Ακόμα δεν αξιολογήθηκαν κατάλληλα οι διαφορές στις υδροστατικές πιέσεις ανάντι και κατάντι του φράγματος (απουσία τρόπου σωστής αξιολόγησης των τεχνικογεωλογικών ιδιαιτεροτήτων στο χώρο θεμελίωσης του έργου). Το φράγμα αστόχησε το 1959 αμέσως μετά την πλήρωσή
του με νερό, λόγω της παρουσίας της ασθενούς ζώνης και της διαφοροποίησης των πιέσεων άνωσης στο χώρο θεμελίωσης. Η καταστροφή αυτή προκάλεσε το θάνατο 400 ανθρώπων. 3. Φράγμα Vaiont Η τραγικότερη καταστροφή φράγματος στην ιστορία με 2.600 νεκρoύς, συνέβη στις 9 του Οκτώβρη του 1963, στο φράγμα Vaiont στη Β. Ιταλία, εξ αιτίας της τεράστιας κατολίσθησης από τα πρανή της λεκάνης κατάκλυσης. 1) Tο φράγμα Vaiont, δεύτερο σε ύψος τοξωτό φράγμα διπλής καμπυλότητας (Cupola dam) στον κόσμο (265,5m). 2) Η καταστροφή έγινε εξ αιτίας κατολίσθησης διάρκειας 60sec και διαστάσεων 1,8km μήκος και 1,6km πλάτος, που μετακίνησε υλικά 150.000.000 m3. Η ολίσθηση προκάλεσε σεισμικές δονήσεις πού καταγράφτηκαν σε μεγάλες αποστάσεις και γέμισε ένα σημαντικό τμήμα της λεκάνης κατάκλυσης. 5) Η κατολίσθηση δημιούργησε ρεύμα από αέρα και τεράστια κύματα από νερό πού αρχικά κατέστρεψαν τις μηχανικές εγκαταστάσεις του φράγματος χωρίς να πειράξουν το σώμα αυτού, ενώ στη συνέχεια κατάστρεψαν γέφυρες, δρόμους κλπ, αλλά κυρίως την πόλη
Longarone, που υπήρχε στα κατάντη του φράγματος, με αποτέλεσμα το μεγάλο αριθμό θυμάτων. Η καταστροφή συνέβη μέσα σε 7 min, σαν αποτέλεσμα του συνδυασμού των κακών γεωλογικών συνθηκών με τις παρεμβάσεις διαμόρφωσης της λεκάνης κατάκλυσης. Αν και η περιοχή του Vaiont, αντιμετώπιζε προβλήματα αστοχιών από παλαιά και ενδείξεις αστοχιών με την έναρξη των εργασιών, εν τούτοις η απουσία κοινής γλώσσας γεωλόγων και μηχανικών δεν βοήθησε στην ορθή αξιολόγηση των προβλημάτων για τον αποκλεισμό της περιοχής ή για τη λήψη μέτρων αντιμετώπισης της μεγάλης κατολίσθησης πριν εκδηλωθεί. 4. Φράγμα Περδίκα Το φράγμα Περδίκα είναι χωμάτινο φράγμα που υπάρχει ακόμα και σήμερα, αφού η κατασκευή του ήταν άρτια και δεν υπήρχε κανένα πρόβλημα στη θεμελίωση. Κατασκευή από Γερμανούς στη Δ. Μακεδονία μετά τον Β Παγκόσμιο Πόλεμο στο πλαίσιο των αποκαταστάσεων για
τις καταστροφές που προκάλεσαν τα Γερμανικά στρατεύματα στην Ελλάδα. Ιδιάζουσα περίπτωση αδυναμίας κατανόησης των γεωλογικών συνθηκών στην περιοχή, από τους Γερμανούς κατασκευαστές αν και αυτές είχαν επισημανθεί από Έλληνες Γεωλόγους. Τα προβλήματα στη λεκάνη κατάκλυσης, όπου το ασβεστολιθικό υπόβαθρο με αυξημένη παρουσία καρστικών διαβρωσιγενών κοιλοτήτων, καλύπτεται από αργιλομαργαϊκά υλικά. Η διακύμανση του πάχους του καλύμματος, αποτέλεσε και το σημαντικό πρόβλημα για τη λειτουργία του φράγματος. Οι γεωτρήσεις ατυχώς διέτρησαν τους σχηματισμούς του καλύμματος των ασβεστολίθων σε θέσεις με αυξημένο πάχος άρα εσφαλμένα συμπεράσματα της ικανότητας των σχηματισμών του καλύμματος να αντιμετωπίσουν τις πιέσεις και τα φαινόμενα απόπλυσης από την ανύψωση της στάθμης του φράγματος. Όμως η διακύμανση του παλαιογεωγραφικού αναγλύφου του ασβεστολιθικού υποβάθρου έντονη και έτσι προκλήθηκαν αποπλύσεις και διαρροές προς υποκείμενα καρστικά. Το φράγμα αχρηστεύτηκε και δεν λειτούργησε ποτέ σαν ταμιευτήρας νερού.
5. Σήραγγα Seikan Αποτελεί συγκοινωνιακή σήραγγα που συνδέει τη νήσο Seikan με τη υπόλοιπη Ιαπωνία. Κατά την κατασκευή της κάτω από τη θάλασσα σημειώθηκαν αστοχίες (καταρρεύσεις) από κακή γνώση των τεχνικογεωλογικών συνθηκών, με αποτέλεσμα εισροές μεγάλων ποσοτήτων θαλασσινού νερού, που προκάλεσαν το θάνατο 4000 εργαζομένων στη σήραγγα. 6. Πύργος Πίζας στην Ιταλία Κακές συνθήκες θεμελίωσης που δεν αξιολογήθηκαν σωστά Σταδιακή απόκλιση του πύργου από την κατακόρυφο Πολλές προσπάθειες σταθεροποίησης του εδάφους θεμελίωσης Εν τούτοις τα θεμέλια για μια πιο αποδοτική συνεργασία είχαν ήδη τεθεί. Κατανοήθηκε δηλαδή η απουσία εμπιστοσύνης και αναδείχ-θηκε η ανάγκη αξιοποίησης μη κατανοητών πληροφοριών (αδυναμία κατανόησης από πλευράς μηχανικών της αξίας των γεωλογικών πληροφοριών λόγω της απόδοσής τους από τους γεωλόγους με καθαρά γεωλογικούς όρους) που οδηγούσε σε υπερσχεδιασμό, ή υποσχεδιασμό των κατασκευών με συνέπειες στην ασφάλειά τους. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Ο συντελεστής ασφάλειας αντισταθμίζει μόνος έλλειψη ομοιογένειας και ισοτροπίας σχηματισμών? την των Ο γεωλογικός χαρακτηρισμός Ιουρασικός αμμωνιτοφόρος ασβεστολιθος για παράδειγμα, αποδίδει τη συμπεριφορά της βραχομάζας?
Έτσι ωρίμασε η ιδέα της δημιουργίας νέου κλάδου γεωλογίας σαν συνδετικού κρίκου και αμφίδρομου αγωγού μεταφοράς πληροφοριών μεταξύ γεωλόγου μηχανικού. Ο νέος κλάδος (αρχές της δεκαετίας του '50) ΤΕΧΝΙΚΗ ΓΕΩΛΟΓΙΑ. ΣΚΟΠΟΣ Συμβολή στην ομαδοποίηση και ταξινόμηση διαφόρων γεωλογικών ενοτήτων με κοινούς τεχνικογεωλογικούς χαρακτήρες Συμβολή στην ασφαλή, οικονομική και ορθολογική κατασκευή των πάσης φύσεως τεχνικών έργων, Συμβολή στην καλή λειτουργικότητα των έργων, αναγνωρίζοντας τους κινδύνους αστοχιών προτείνοντας κατάλληλα μέτρα αντιμετώπισης ΣΤΟΧΟΙ πρόγνωση και αποφυγή καταστροφών, γνώση των τεχνικογεωλογικών χαρακτήρων του εδάφους θεμελίωσης, γνώση των συνθηκών αλληλεπίδρασης εδάφους θεμελίωσης-κατασκευής, σε οικονομικότερη και ασφαλέστερη βάση. λήψη μέτρων προστασίας κατά την κατασκευή αλλά και λειτουργία των τεχνικών έργων, πρόβλεψη αλλαγών στο χώρο από τις τεχνικές εργασίες (διαμόρφωση τελικής γεωμηχανικής συμπεριφοράς εδάφους θεμελίωσης. σύνταξη τεχνικογεωλογικών γεωτεχνικών χαρτών.
ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΕΧΝΙΚΗ ΓΕΩΛΟΓΙΑ: ο κλάδος εκείνος της γεωλογικής επιστήμης που διασφαλίζει ότι οι γεωλογικοί παράγοντες που επηρεάζουν το σχεδιασμό, την κατασκευή, τη λειτουργία και τη συντήρηση των τεχνικών έργων, έχουν επισημανθεί, έχουν κατάλληλα διασαφηνισθεί και έχουν σαφώς διατυπωθεί για σωστή χρήση στη μηχανική πρακτική. Άρα, ο Τεχνικός Γεωλόγος πρέπει να έχει: καλή γνώση των αντικειμένων της γεωλογίας, σαφή γνώση εδαφομηχανικής, βραχομηχανικής, θεμελιώσεων, υδρολογίας κλπ, Στην περίπτωση των περισσότερων τεχνικών έργων η γεωτεχνική μελέτη ερευνά τις γεωτεχνικές και σεισμοτεκτονικές συνθήκες, προσπαθώντας να εκμηδενίσει τα όρια της «γεωλογικής αβεβαιότητας» της υπόψη περιοχής. Στον αστικό σχεδιασμό και ανάπτυξη μιας περιοχής, η γεωτεχνική έρευνα είναι εκείνη που θα δώσει, βάσει των συνθηκών του εδάφους θεμελίωσης, τα ασφαλή και ορθολογικά όρια των διαφόρων ζωνών (βιομηχανικής, οικιστικής κλπ.). Στην αποκατάσταση του γεωλογικού περιβάλλοντος, πάλι η Τεχνική Γεωλογία είναι εκείνη που αναμένεται να δώσει σωστές πληροφορίες και επομένως οικονομικές και ασφαλείς λύσεις για το σκοπό αυτό. Οι βασικές γεωτεχνικές πληροφορίες που επιδιώκονται στα πλαίσια μιας γεωτεχνικής έρευνας αφορούν στη διερεύνηση: α) της κατανομής της αντοχής, της υδροπερατότητας, της ικανότητας σε παραμόρφωση και χημική σταθερότητα του εδάφους θεμελίωσης, β) του υπόγειου νερού (στάθμη, ροή, ιδιότητες, κλπ),
γ) των φυσικών καταστροφικών φαινομένων (κατολισθητικές τάσεις, σεισμική επικινδυνότητα, κλπ) και, δ) των πιθανά πλησιέστερων θέσεων δανειοδότησης υλικών, σε περίπτωση τεχνικών έργων μεγάλου ενδιαφέροντος. Εκτός από αυτά ο τεχνικός γεωλόγος πρέπει να λάβει υπόψη του και τις αλλαγές που θα προκύψουν στο χώρο του έργου από τις τεχνικές εργασίες (εκσκαφές κλπ). Οι αλλαγές αυτές είναι σημαντικές γιατί συμμετέχουν στη διαμόρφωση της τελικής μηχανικής συμπεριφοράς του εδάφους θεμελίωσης και επομένως έχουν σχέση με την καλή κατασκευή και λειτουργία του έργου. Συμπερασματικά οι σκοποί και στόχοι της Τ. Γ. μπορούν να διατυπωθούν σε τρεις ιδεατές εξισώσεις: ΓΕΩΛΟΓΙΚΈΣ ΚΑΙ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΈΣ ΙΔΙΌΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΏΝ + ΔΟΜΉ ΤΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΚΉΣ ΜΆΖΑΣ = ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΈΣ ΙΔΙΌΤΗΤΕΣ ΤΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΚΉΣ ΜΆΖΑΣ. ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΈΣ ΙΔΙΌΤΗΤΕΣ ΤΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΚΉΣ ΛΟΝΤΙΚΈΣ ΣΥΝΘΉΚΕΣ = ΚΑΘΟΡΙΣΜΌΣ ΜΆΖΑΣ + ΠΕΡΙΒΑΛΤΗΣ ΑΚΡΙΒΟΎΣ ΘΈΣΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΉΣ. ΚΑΘΟΡΙΣΜΌΣ ΤΗΣ ΑΚΡΙΒΟΎΣ ΘΈΣΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΉΣ + ΜΕΤΑΒΟΛΈΣ ΠΟΥ ΠΡΟΚΑΛΟΎΝΤΑΙ ΣΤΟ ΓΕΩΛΟΓΙΚΟ ΠΕΡΙΒΆΛΛΟΝ ΑΠΌ ΤΙΣ ΕΡΓΑΣΊΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΉΣ = ΤΕΛΙΚΉ ΓΕΩΜΗΧΑΝΙΚΉ ΘΕΜΕΛΊΩΣΗΣ ΣΤΟ ΤΕΧΝΙΚΌ ΈΡΓΟ. ΑΠΌΚΡΙΣΗ ΤΟΥ ΕΔΆΦΟΥΣ
ΔΙΑΚΡΙΣΗ ΓΕΩΛΟΓΙΚΩΝ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ ΟΡΙΣΜΟΊ Οι γεωλογικοί σχηματισμοί που δομούν το στερεό φλοιό της γης διακρίνονται σε εδαφικούς και βραχώδεις. ΕΔΑΦΙΚΟΙ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ (SOILS), συνιστούν φυσική διάταξη εδαφικών κόκκων, που μπορεί να περιέχουν οργανικά υλικά, ενώ τα κενά μεταξύ των κόκκων μπορεί να είναι πληρωμένα με αέρα ή/και νερό. ΒΡΑΧΩΔΕΙΣ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ή ΠΕΤΡΩΜΑΤΑ (ROCKS), αποτελούνται από κρυστάλλους ή κόκκους, που συνδέονται μεταξύ τους με ισχυρές και μόνιμες δυνάμεις, ή/και την παρουσία συγκολλητικής ύλης. Οι εδαφικοί είναι τα προϊόντα των διεργασιών της διάβρωσης των βραχωδών μαζών, αλλά και της μηχανικής ή/και χημικής αποσάθρωσης αυτών. Ο τρόπος και η απόσταση μεταφοράς, αλλά και ο χώρος απόθεσης των προϊόντων αποσάθρωσης, δίνουν: Ελουβιακές μεταφορά), αποθέσεις (πολύ μικρή ή καθόλου Κολλουβιακές αποθέσεις (μικρή μεταφορά), Αλλουβιακές αποθέσεις (συνήθως χαλαρά υλικά), Διλουβιακές αποθέσεις συνεκτικότητα). (συνήθως με κάποια Οι τελευταίες (αλλουβιακές διλουβιακές) αποθέσεις χαρακτηρίζονται από μεγάλη απόσταση μεταφοράς. Οι κύριες φάσεις των εδαφικών σχηματισμών, άργιλος, ιλύς, άμμος και αδρομερή (ψηφίδες, χάλικες και κροκάλες) σπάνια απαντούν σε αμιγή μορφή. Συνήθως τα εδάφη είναι ανάμιξη των φάσεων σε ποικίλες αναλογίες, με ή χωρίς οργανικές ύλες.
ΕΔΑΦΙΚΟΊ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΊ Τα δομικά σωματίδια διαφόρων μεγεθών, άλλα ορατά με γυμνό μάτι και άλλα με τη βοήθεια μικροσκοπίου. Τα δυσδιάκριτα σωματίδια συνδέονται μεταξύ τους με ασθενείς δυνάμεις (αντιδιαστολή με μέταλλα), επιτρέποντας μεγάλο βαθμό ελευθερίας κίνησης του ενός σε σχέση με το άλλο, αλλά όχι βέβαια στο βαθμό των μορίων των υγρών. Χωρίς νερό, η οποιαδήποτε δύναμη ασκηθεί σε ένα έδαφος μεταφέρεται στις επαφές των δομικών στοιχείων (σωματιδίων) και αναλύονται σε κάθετες (Ν) και εφαπτομενικές (Τ), στην επαφή αυτή, δυνάμεις. Αύξηση των δυνάμεων = ελαστική ή πλαστική παραμόρφωση στην περιοχή επαφής των σωματιδίων, αύξηση της επιφάνειας επαφής και διαμόρφωση πιο πυκνής δομής (μείωση του όγκου). Αύξηση δυνάμεων σε πλακόμορφα σωματίδια (άργιλοι) = κάμψη αυτών (σχετική κίνηση μεταξύ τους). Άρα, ο σκελετός του εδάφους υφίσταται παραμορφώσεις, λόγω ολισθήσεων μεταξύ των σωματιδίων και αναδιάταξης αυτών, μέχρι της τελικής αστοχίας. Τα κενά μεταξύ των εδαφικών σωματιδίων καλούνται πορώδες (αέρας ή αέρας+νερό με ή χωρίς ευδιάλυτα στοιχεία). Η παρουσία του νερού διαμορφώνει πολυφασικό σύστημα και επηρεάζει τη φύση της επιφάνειας των εδαφικών σωματιδίων και κατά συνέπεια τη διαδικασία εφαρμογής των δυνάμεων σε αυτήν.
Έτσι, η γεωμηχανική συμπεριφορά των εδαφών συνάρτηση της δομής, δηλαδή των γεωλογικών συνθηκών απόθεσης και της επακόλουθης διακύμανσης των ασκουμένων τάσεων. Άρα ο τρόπος δημιουργίας, η μεταφορά, ο τρόπος απόθεσης, το περιβάλλον απόθεσης επηρεάζουν τους γεωμηχανικούς χαρακτήρες των εδαφών, που καθορίζουν τα όρια της συστηματικής περιγραφής τους, δηλαδή την ταξινόμηση των εδαφών. Επομένως οι ταξινομήσεις των εδαφικών σχηματισμών αποκαλύπτουν την εν γένει γεωμηχανική συμπεριφορά τους. Βασική ιδιότητα ταξινόμησης: η κοκκομετρική σύσταση. Οι κύριες κατηγορίες που διακρίνονται με την κοκκομετρική ανάλυση κατά USCS (ASTM D 2487), είναι: Η άργιλος εμφανίζει κόκκους με 0,002mm. διάμετρο <των Η ιλύς έχει κόκκους μεταξύ των 0,002mm και 0.075mm (κόσκινο Νο 200). Η άμμος περιλαμβάνει μεταξύ των 0.075mm (κόσκινο Νο 200) και των 4,75mm (κόσκινο Νο 4). Ειδικότερα διακρίνεται σε: (α) λεπτόκοκκη 0.074mm έως 0,475mm (κόσκινο 200 έως κόσκινο Νο 40), (β) μεσόκοκκη 0,475mm έως 2,0mm έως κόσκινο Νο 10) και (κόσκινο Νο 40 (γ) αδρόκοκκη 2.0mm έως 4,75mm (κόσκινο Νο 10
έως κόσκινο Νο 4). Οι χάλικες είναι βραχώδη τεμάχια μεταξύ 4,75mm και 75,0mm, δηλαδή μεταξύ του κόσκινου Νο 4 και του κόσκινου 3. (α) λεπτόκοκκους 4,75.mm έως 19,0mm (κόσκινο Νο 4 έως κόσκινο 3/4 ) και (β) αδρόκοκκους 19,0mm και 75,0mm (κόσκινο 3/4 έως κόσκινο 3 ). Τέλος οι κροκάλες έχουν διάμετρο > 75,0 mm, δηλαδή συγκρατούνται στο κόσκινο 3. Κοκκομετρική ανάλυση των εδαφικών υλικών. Τα αδρομερή εδαφικά υλικά (άμμοι, χάλικες και κροκάλες) δεν έχουν συνοχή, αλλά παρουσιάζουν αυξημένη γωνία τριβής. Τα λεπτομερή (άργιλοι και ιλύες) θεωρούνται συνεκτικά υλικά χωρίς πρακτικά ή με πολύ μικρή γωνία τριβής.
Στη φύση πάντως οι εδαφικοί σχηματισμοί είναι στην πλειοψηφία των περιπτώσεων μικτοί τύποι εδαφικών υλικών, οι βασικότεροι των οποίων είναι: Αργιλοϊλύες Ιλυώδεις άργιλοι Αμμούχες άργιλοι Αμμοϊλύες Ιλυώδεις άμμοι Αμμοχάλικά κλπ Συνοψίζοντας μπορεί να πούμε ότι: τα εδάφη αποτελούνται από λεπτόκοκκα και αδρόκκοκα υλικά, με μέγεθος από <0.001mm μέχρι >100mm, σπάνιες είναι οι περιπτώσεις αμιγούς σύστασης, συνήθως συμμετέχουν ορυκτά όπως ασβεστίτης, χαλαζίας, πλαγιόκλαστα, κλπ, αλλά κυρίως αργιλικά ορυκτά. Η σύσταση (φύση και διάταξη των ατόμων στα επί μέρους εδαφικών σωματιδίων) βοηθά στην κατανόηση της συμπεριφοράς του εδάφους (π.χ. περατότητα, συμπιεστότητα, αντοχή). Παράδειγμα: η παρουσία Μοντμοριλλονίτη επιφέρει μεγάλες διογκώσεις ενώ η παρουσία Αλλοϋσίτη διαμορφώνει πολύ μικρό φαινόμενο βάρος. Η συνεκτικότητα συναρτάται με την κατείσδυση σε αυτά ανθρακικών υλικών ή διαφόρων οξειδίων, αλλά και στην παρουσία οργανικών υλικών. Το έδαφος μπορεί να αποτελείται μόνο από οργανικά σωματίδια ή μόνο ανόργανα ή και από τα δύο σε ανάμιξη. Τα ανόργανα μπορεί να είναι είτε σε μορφή ορυκτού είτε σε μορφή μικρού μεγέθους θραύσματος πετρώματος (δηλαδή από ένα ή περισσότερα ορυκτά). Πυριτικά ορυκτά ενδιαφέρουν άμεσα τους γεωτεχνικούς, αφού το 90% των εδαφών αποτελούνται από αυτά που είναι τα
πλέον ανθεκτικά στη φυσική και χημική αποσάθρωση. Εδάφη από φυσικές διεργασίες αποσάθρωσης = ίδια σύσταση ορυκτών με το μητρικό πέτρωμα, Εδάφη από αποσάθρωσης: τη δράση παραγόντων χημικής (α) επέρχονται αλλαγές στα ορυκτά από τη δράση νερού, CO2, O2, κλπ, (β) Δημιουργούνται ομάδες σωματιδίων ή κρυσταλλικά σωματίδια μεγέθους κολλοειδούς (<0,002mm), που καλούνται αργιλικά ορυκτά. ΑΡΓΙΛΙΚΆ ΟΡΥΚΤΆ Πολύ σημαντικά από γεωτεχνικής πλευράς (καθορίζουν συνήθως τη γεωμηχανική συμπεριφορά των εδαφικών σχηματισμών) και έτσι ενδιαφέρουν άμεσα τους γεωτεχνικούς. Πλακόμορφοι σχηματισμοί, που δεν έχουν την ίδια σύσταση με το μητρικό πέτρωμα, παρουσιάζουν πολύ μεγάλη ειδική επιφάνεια, έχουν φυλλόμορφη δομή με μικρές διαστάσεις των φυλλόμορφων σωματιδίων (<0.002mm) και ηλεκτρικά φορτισμένες επιφάνειες. Βασικές δομικές μονάδες των αργιλικών ορυκτών: 1. Τετράεδρο του Πυριτίου, 2. Οκτάεδρο του Αργιλίου, που συνδυάζονται σε διάφορες επαναλήψεις. το πρώτο, αποτελείται από 4 άτομα οξυγόνου (Ο) διατεταγμένα γύρω από ένα άτομο Πυριτίου (Si), το δεύτερο συνίσταται από 6 άτομα υδροξυλίου, γύρω από ένα άτομο αργιλίου (Al). Ο συνδυασμός των τετραέδρων πυριτίου δίνουν το φύλλο του πυριτίου, ενώ αυτός των οκταέδρων του αργιλίου το φύλλο του Γκιψίτη (Gibbsite). Αν αντί αργιλίου στο οκτάεδρο έχουμε μαγνήσιο (Mg) ο συνδυασμός των οκταέδρων δίνει Βρουσίτη
(Brucite). Ο Γκιψίτης και ο Βρουσίτης είναι ηλεκτρικά ουδέτεροι. Τα διάφορα αργιλικά ορυκτά προέρχονται από το συνδυασμό του τετραέδρου του πυριτίου και του οκταέδρου του αργιλίου είτε με τη μορφή δομής 1:1 (twolayer sheets) είτε με τη μορφή δομής 2:1(three-layer sheets), όπως φαίνεται στο Σχήμα. Οι βασικές δομικές μονάδες των αργιλικών ορυκτών. Στην περίπτωση της δομής 1:1, δηλαδή όταν ένα φύλλο αργιλίου τοποθετείται πάνω σε ένα φύλλο πυριτίου, διαμορφώνεται ο Καολινίτης (Kaolinite), Στην περίπτωση της δομής 2:1 έχομε Ιλλίτη (Illite) ή και Μοντμοριλλονίτη (Montmorillonite). Αν ο Γκιψίτης στην περίπτωση 1:1 αντικατασταθεί από
Βρουσίτη τότε (Serpentine). διαμορφώνεται ο Σερπεντίνης Στην περίπτωση της δομής 2:2, δηλαδή όταν δύο φύλλα αργιλίου συνυπάρχουν με δύο φύλλα πυριτίου, διαμορφώνεται ο χλωρίτης (Chlorite), Ένα αργιλικό ορυκτό αποτελείται στην πραγματικότητα από πολύ μεγάλο αριθμό φύλλων βασικής δομής. Για παράδειγμα ένα μόριο Καολινίτη αποτελείται από 115 διπλά φύλλα δομής 1:1. Ο τρόπος δημιουργίας των κύριων αργιλικών ορυκτών από το συνδυασμό του τετραέδρου του πυριτίου και του οκταέδρου του αργιλίου και οι δεσμοί που διαμορφώνονται. Οι δεσμοί που αναπτύσσονται λόγω φορτίων περιφερειακά των μοναδιαίων ενοτήτων, είναι συνήθως χαλαροί. Οι μεγάλες επιφάνειες των πλακόμορφων στοιχείων
έχουν αρνητικό φορτίο και αυτές μικρού μεγέθους θετικό. Έτσι μπορεί να προσκολληθεί στην επιφάνειά τους κάθε στοιχείο με αντίθετο φορτίο (ιόντα ή δίπολα νερού), διαμορφώνοντας μια στρώση που συνήθως έχει πάχος 1nm περίπου. Οι δεσμοί στον καολινίτη (1:1) είναι δεσμοί υδρογόνου (Η) που χαρακτηρίζονται σχετικά ισχυροί. Στην περίπτωση του Ιλλίτη επικρατούν οι χαλαροί δεσμοί ιόντων καλίου (Κ), Στην περίπτωση του Μοντμοριλλονίτη (επίσης δομή 2:1 όπως ο Ιλλίτης), οι δεσμοί είναι πολύ χαλαροί (δεσμοί νερού και κατιόντων εκτός Κ). Σύστημα αργιλικού πλακόμορφου στοιχείου και στρώσης προσκολλημένου νερού κατιόντων.
Κύριοι τύποι δομών εδαφικών υλικών. Οι κύριες ομάδες αργιλικών ορυκτών είναι αυτές του πίνακα (ο Μοντμοριλλονίτης, Al2O34SiO2vH2O, υπάγεται στην ομάδα του Ιλλίτη). Κύριες ομάδες αργιλικών ορυκτών. Α/Α Ομάδες Χημικός Τύπος Δομή 1 Καολίνη Al2Si2O5(OH)4 1:1 2 Ιλλίτη KAl2(Si3Al)O10(OH)2 2:1 3 Χλωρίτη Mg5Al2Si2O10(OH)8 2:2 Τα αργιλικά ορυκτά συνήθως δεν απαντούν συνήθως σε αμιγή μορφή. Στις περισσότερες περιπτώσεις είναι ανάμιξη αργιλικών ορυκτών διαφόρων ομάδων, η αναλογία των οποίων διαμορφώνει τα φυσικομηχανικά χαρακτηριστικά των
αργιλικών εδαφών. Οι κύριες χρήσεις των εδαφικών υλικών, θεμελίωση κατασκευών κατασκευή επιχωμάτων, δρόμων, κλπ. φραγμάτων, ορυγμάτων, πλήρωσης φόρτισης κατασκευών, όπως τοίχοι αντιστήριξης, cut and covers, αγωγούς, κλπ. Συνεπώς για ασφαλή σχεδιασμό των έργων, πρέπει να μελετώνται οι φυσικομηχανικές ιδιότητες των εδαφών, δηλαδή με τη γνώση των σχέσεων των διαφόρων φάσεων, της κοκκομετρικής ανάλυσης και πλαστικότητας (φυσικά χαρακτηριστικά), αλλά και κύριων μηχανικών ιδιοτήτων. Αυτό επιτυγχάνεται με τις επιτόπου και εργαστηριακές δοκιμές. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΙΔΙΌΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΑΡΓΙΛΙΚΏΝ ΟΡΥΚΤΏΝ Τα αργιλικά ορυκτά παρουσιάζουν ιδιόμορφες ιδιότητες που επηρεάζουν τα εδάφη που τα περιέχουν από πλευράς γεωμηχανικής συμπεριφοράς και συνεπώς ενδιαφέρουν το γεωτεχνικό, που θα τα αντιμετωπίσει σαν έδαφος θεμελίωσης ή σαν υλικά κατασκευής. Οι σημαντικότερες από αυτές είναι: Ανταλλαγή κατιόντων. Μια χαρακτηριστική ιδιότητα των αργιλικών ορυκτών είναι η αντικατάσταση (ανταλλαγή) των κατιόντων που υπάρχουν μεταξύ των πλακιδίων τους με άλλα, που υπάρχουν μέσα στο ρευστό που τα περιβάλλει. Αυτό συνεπάγεται μεταβολή των ιδιοτήτων των αργιλικών ορυκτών και κατά συνέπεια των φιλοξενούντων αυτά αργιλικών εδαφών. Μεγάλη ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων έχει ο Μοντμοριλλονίτης. Πλαστικότητα. Το νερό γύρω από τα πλακόμορφα αργιλικά στοιχεία διαμορφώνει λεπτό υδατικό υμένιο.
Το είδος των κατιόντων και το πάχος του υδάτινου υμενίου, καθορίζουν το βαθμό πλαστικότητας. Συνεπώς η πλαστικότητα του Μοντμοριλλονίτη είναι πολύ μεγαλύτερη από τα λοιπά αργιλικά ορυκτά. Υδροπερατότητα. Το πολύ μικρό μέγεθος των αργιλικών ορυκτών και η συγκράτηση νερού στο χώρο μεταξύ των φύλλων των δομικών μονάδων, απαγορεύει τη διέλευση νερού. Συνεπώς τα αργιλικά ορυκτά είναι μη περατά. Θιξοτροπία. Πολλά αργιλικά ορυκτά και κυρίως ο Μοντμοριλλονίτης σε ανάμιξη με ορισμένη ποσότητα νερού σχηματίζουν αιωρήματα που με το χρόνο μεταπίπτουν σε σταθερούς πολτούς. Οι πολτοί αυτοί με σχετική δόνηση ή κτυπήματα μεταπίπτουν πάλι σε ρευστή μορφή (Θιξοτροπία). Η ιδιότητα αυτή σημαντική στη χρήση π.χ. μπεντονιτικού αιωρήματος σαν ένεμα για στεγανοποίηση ή σαν παράγοντας σταθεροποίησης πρανών εκσκαφών σε διαφράγματα. Απορρόφηση νερούτο νερό απορροφάται και συγκεντρώνεται γύρω από τις πλακόμορφες δομικές μονάδες των αργιλικών ορυκτών. Η πολύ μεγάλης ειδική επιφάνεια ορισμένων αργιλικών ορυκτών και η παρουσία ορισμένων κατιόντων πολλαπλασιάζουν το νερό που δεσμεύεται π.χ. στην περίπτωση του Μοντμοριλλονίτη. Τυπικές τιμές για το πάχος, την διάμετρο και την ειδική επιφάνεια κύριων αργιλικών ορυκτών. Α/Α Ομάδες Τυπικό πάχος (nm) Τυπική διάμετρος (nm) Ειδική επιφάνεια (m2/ gr) 1 Καολινίτη 50-2000 (100) 300-4000 (1000) 15 2 Ιλλίτη 30 5000-10000 80 3 Χλωρίτη 30 5000-10000 80 4 Μοντμοριλλονίτη 3 100-1000 800 Σημείωση: 1nm = 10-9m. Η ειδική επιφάνεια κόκκου άμμου με ακτίνα, r=1mm, είναι μόνο 0,0006 m2/gr.
Διασπορά Θρόμβωση. Τα αργιλικά ορυκτά σε υδάτινο περιβάλλον, διαμορφώνουν συσσωματώματα ή διατηρούνται σε διασπορά, ανάλογα με την παρουσία ορισμένων ηλεκτρολυτών. Η όλη διαδικασία είναι σημαντική στις κοκκομετρικές αναλύσεις όπου προστίθεται κυρίως εξαμεταφωσφορικό νάτριο, για τη διάλυση των συσσωματωμάτων και τον ακριβή καθορισμό του ποσοστού της αργίλου. ΠΡΟΈΛΕΥΣΗ ΚΎΡΙΩΝ ΑΡΓΙΛΙΚΏΝ ΟΡΥΚΤΏΝ Ο καολινίτης προέρχεται από την εξαλλοίωση (καολινιτίωση) των αστρίων και άλλων πυριτικών ορυκτών (π.χ. μαρμαρυγιών) στα εκρηξιγενή και μεταμορφωμένα πετρώματα, όπως ο γρανίτης, ο γνεύσιος κλπ. Ο Ιλλίτης παρουσιάζεται στα προϊόντα αποσάθρωσης πετρωμάτων πλούσιων σε μαρμαρυγίες, Ο Μοντμοριλλονίτης είναι κύριο συστατικό του μπεντονίτη που προέρχεται από την εξαλλοίωση ηφαιστειακών πετρωμάτων.