ΚΕΦΑΛΑΙΑ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ Ι ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΓΕΩΛΟΓΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΥΔΡΟΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΑ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ Ι ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ Διάλεξη 2η Σελίδα 1

1.1ΒΡΑΧΏΔΕΙΣ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΊ (ΠΕΤΡΏΜΑΤΑ) Πετρώματα είναι τα υλικά τα οποία κατά μεγάλες μάζες αποτελούν τον στερεό φλοιό της γης, δομούνται από ορυκτά και παρουσιάζουν στατιστική ομοιογένεια σε μεγάλη έκταση. Ανάλογα με το τρόπο σχηματισμού τους, τα πετρώματα χωρίζονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες: Τα ιζηματογενή, που προέρχονται από την αποσάθρωση, διάβρωση και αποικοδόμηση προϋπαρχόντων πετρωμάτων στην επιφάνεια της γης. Τα υλικά των διεργασιών αυτών μεταφέρονται με το νερό ή με τον άνεμο και αποτίθενται σε χαμηλότερες περιοχές σχηματίζοντας έτσι τα χαλαρά στην αρχή ιζηματογενή πετρώματα. Με την επίδραση των παραγόντων διαγένεσης και την πάροδο του χρόνου γίνονται συμπαγή (π.χ. η άμμος γίνεται ψαμμίτης). Τα εκρηξιγενή ή πυριγενή, που προέρχονται από την πήξη και στερεοποίηση του μάγματος, όταν αυτό διεισδύσει μέσα στο στερεό φλοιό την γης (πλουτώνια πετρώματα) ή όταν εκχυθεί στην επιφάνειά της (ηφαιστειακοί σχηματισμοί, δηλαδή υλικά ηφαιστειακών εκρήξεων και πετρώματα από τη στερεοποίηση της λάβας). Τα μεταμορφωμένα ή μεταμορφωσιγενή, που προέρχονται από την μεταμόρφωση των δύο παραπάνω κατηγοριών ή και παλαιότερων μεταμορφωμένων, η οποία συμβαίνει με την επίδραση υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης με αποτέλεσμα να αλλοιωθεί τόσο ο ιστός, όσο και η ορυκτολογική σύσταση του αρχικού πετρώματος. Για να προσδιορισθεί ένα πέτρωμα θα πρέπει να αναγνωριστεί η ορυκτολογική του σύσταση και ο ιστός του. Ορυκτολογική σύσταση είναι τα διάφορα ορυκτά που συνιστούν το πέτρωμα. Αν αυτά περιέχονται σε ποσοστό μεγαλύτερο του 5-10% λέγονται ουσιώδη ή κύρια, ενώ σε μικρότερο ποσοστό λέγονται επουσιώδη ή δευτερεύοντα. Ο αριθμός των κύριων ορυκτολογικών συστατικών ενός πετρώματος είναι συνήθως μικρός (1-6). Ιστός είναι η μορφή, το μέγεθος, η διάταξη στο χώρο και ο τρόπος σύνδεσης των διαφόρων ορυκτολογικών συστατικών. Σελίδα 2

Τα ορυκτά ενός πετρώματος διακρίνονται είτε μακροσκοπικά είτε μικροσκοπικά σαν ευδιάκριτοι κόκκοι, είτε ενός κρυστάλλου είτε περισσοτέρων. Η μορφή των κόκκων (στρογγυλοί, γωνιώδεις ή με κρυσταλλικές έδρες), το μέγεθος αυτών (αδρόκοκκοι, μεσόκοκκοι ή λεπτόκοκκοι), αλλά και η διάταξή τους (τυχαία ή σχετικά προσανατολισμένη προς μία ή περισσότερες διευθύνσεις), καθορίζουν τους χαρακτήρες των πετρωμάτων. Για παράδειγμα, τυχαία διάταξη χαρακτηρίζει άστρωτο ιστό, ενώ προσανατολισμένη παράλληλο ιστό (σχιστόλιθοι). Ένα πέτρωμα παρουσιάζει στρώση όταν έχει παράλληλο ιστό που έχει προέλθει από την ιζηματογένεση, ενώ σχιστότητα είναι η ιδιότητα αποχωρισμού σε πλάκες λόγω επίδρασης κατευθυνόμενης πίεσης πάνω στα πετρώματα κατά τη μεταμόρφωση (σχιστόλιθοι). Σχετικά με τη σύνδεση των κόκκων αυτή μπορεί να είναι ισχυρή (συμπαγές πέτρωμα) ή ασθενής (χαλαρό πέτρωμα). Παράδειγμα ιστών εκρηξιγενών πετρωμάτων. Α ΙΖΗΜΑΤΟΓΕΝΉ ΠΕΤΡΏΜΑΤΑ Ανάλογα με τον τρόπο σχηματισμού τους τα ιζηματογενή πετρώματα διακρίνονται σε: Κλαστικά ή μηχανικά ιζήματα Σελίδα 3

Χημικά ιζήματα Βιογενή ή οργανογενή ιζήματα Τα μηχανικά ιζήματα δημιουργούνται από τη μηχανική μεταφορά των υλικών της αποσάθρωσης με τη βοήθεια του νερού ή του ανέμου. Αρχικά ασύνδετα μεταξύ τους (χαλαροί σχηματισμοί), με την πάροδο όμως του χρόνου μεταπίπτουν σε συμπαγή πετρώματα (διαγένεση). Χαλαροί σχηματισμοί είναι οι λατύπες, οι κροκάλες, οι άμμοι, ενώ συμπαγή πετρώματα τα κροκαλοπαγή, οι ψαμμίτες, οι ιλυόλιθοι, κ.ά. Τα χημικά ιζήματα δημιουργούνται από την κλασματική καθίζηση των υλικών της αποσάθρωσης που βρίσκονται διαλυμένα μέσα στα νερά. Η διάλυση προκαλείται από την κυκλοφορία των νερών της βροχής μέσα σε διάφορα πετρώματα, λόγω της διαλυτικής τους ικανότητας που οφείλεται στην παρουσία του CO2. Χημικά ιζήματα είναι η γύψος, ο ανυδρίτης, ο ασβεστόλιθος, ο τραβερτίνης, κ.ά. Τα βιογενή ή οργανογενή ιζήματα σχηματίζονται από τα ασβεστολιθικά ή πυριτικά κελύφη και τους σκελετούς διαφόρων ζώων που είτε ζουν στον πυθμένα, είτε αιωρούνται μέσα στο νερό της θάλασσας. Πολλοί οργανισμοί που ζουν μέσα στη θάλασσα, παίρνουν από το νερό το όξινο ανθρακικό ασβέστιο Ca(HCO3)2 και σχηματίζουν κελύφη, όστρακα ή και τον εσωτερικό τους σκελετό (π.χ. σπόγγοι και κοράλλια). Μετά το θάνατο των ζώων αυτών τα ασβεστολιθικά ή πυριτικά τους μέρη συσσωρεύονται στον πυθμένα και σχηματίζουν εκτεταμένα πετρώματα όπως ο κογχυλιογενής ασβεστόλιθος, η γη των διατόμων, ο κερατόλιθος, κ.ά. Β. ΕΚΡΗΞΙΓΕΝΉ Ή ΠΥΡΙΓΕΝΉ ΠΕΤΡΏΜΑΤΑ Τα εκρηξιγενή πετρώματα προέρχονται από την πήξη και στερεοποίηση του μάγματος. Ανάλογα με το που αυτό συμβαίνει τα εκρηξιγενή χωρίζονται: Στα πλουτώνια, όταν το μάγμα στερεοποιηθεί εντός του στερεού φλοιού της γης (καλή κρυστάλλωση). Πλουτώνια πετρώματα είναι οι γρανίτες, οι συηνίτες, οι διορίτες, οι γάββροι, οι περιδοτίτες, κ.ά. Σελίδα 4

Πίνακας κύριων μηχανικών και χημικών ιζημάτων και των αντίστοιχων πετρωμάτων. Πίνακας κύριων οργανικών ιζημάτων και των αντίστοιχων πετρωμάτων. Σελίδα 5

Στα υποηφαιστειογενή, όταν το μάγμα στερεοποιηθεί σε μικρά βάθη, όπως ο υποηφαιστειακός πορφύρης, ο δολερίτης (διαβάσης βασαλτικής σύστασης ) κλπ. Στα ηφαιστειακά ή ηφαιστειογενή, όταν το μάγμα φθάσει στην επιφάνεια της γης και στερεοποιηθεί πάνω σ αυτή. Ηφαιστειακά πετρώματα είναι οι ρυόλιθοι, οι τραχείτες, οι ανδεσίτες, οι βασάλτες και οι ηφαιστειακοί τόφφοι. Απότομη ψύξη διαμορφώνει πετρώματα με υαλώδη ιστό είναι ο οψιδιανός, οι πισσόλιθοι, η κίσσηρης και οι περλίτες. Πίνακας κύριων εκρηξιγενών πετρωμάτων. Γ. ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΈΝΑ ΠΕΤΡΏΜΑΤΑ Τα μεταμορφωμένα πετρώματα προέρχονται από την μεταμόρφωση εκρηξιγενών ή ιζηματογενών όταν αυτά βρεθούν κάτω από νέες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας (δημιουργία νέου ιστού ή και σχηματισμού νέων ορυκτών) με αποτέλεσμα την αλλαγή της ορυκτολογικής σύστασης του αρχικού πετρώματος. Ανάλογα με το βαθμό μεταμόρφωσης από ένα αρχικό σχηματι Σελίδα 6

σμό προκύπτουν διάφορα πετρώματα π.χ. άργιλος σχιστή άργιλος αργιλικός σχιστόλιθος φυλλίτης μαρμαρυγιακός σχιστόλιθος. Στα μεταμορφωμένα πετρώματα οι δυνάμεις προσανατολίζουν τα διάφορα ορυκτά (παράλληλος ιστός π.χ. γνεύσιος ή σχιστότητα π.χ. μαρμαρυγιακός σχιστόλιθος). Γι αυτό και τα πετρώματα της κατηγορίας αυτής ονομάζονται και κρυσταλλοσχιστώδη, παρόλο που ορισμένα από αυτά δεν παρουσιάζουν εμφανή σχιστότητα (π.χ. το μάρμαρο, κλπ). Μεταμορφωμένα πετρώματα είναι οι γνεύσιοι, οι σχιστόλιθοι, οι αμφιβολίες, οι χαλαζίτες, τα μάρμαρα, κ.ά. Πίνακας κύριων μεταμορφωμένων πετρωμάτων. Σελίδα 7

ΕΡΕΥΝΕΣ ΠΕΔΙΟΥ Στα πλαίσια δραστηριότητας της τεχνικογεωλογικής έρευνας εξετάζονται τα πάσης φύσεως γεωλογικά, υδρογεωλογικά και γεωτεχνικά προβλήματα που ανακύπτουν σε κάθε περιοχή ενδιαφέροντος. Έτσι, σχεδιάζεται η καταλληλότερη έρευνα πεδίου και προσδιορίζονται οι αναγκαίες εργαστηριακές δοκιμές, με τις όποιες τροποποιήσεις προκύψουν, αναζητούνται, εφόσον τούτο απαιτηθεί, οι πλέον πρόσφορες θέσεις δανειοδότησης κατασκευαστικών υλικών. Τα αποτελέσματα της τεχνικογεωλογικής έρευνας (έρευνα πεδίου και εργαστηριακές δοκιμές) ενισχύουν ή και τροποποιούν το ευρύτερο κατασκευαστικό πρόγραμμα, ώστε να επιτευχθεί ο τελικός στόχος που είναι πάντα η οικονομία και η ασφάλεια του έργου. Ειδικότερα οι κύριοι στόχοι που επιδιώκονται μέσα από τις διάφορες φάσεις της έρευνας πεδίου για το σχεδιασμό των τεχνικών έργων, είναι: (α) η θεώρηση της γενικής καταλληλότητας της θέσης του τεχνικού έργου, (β) η προετοιμασία επαρκούς και οικονομικού σχεδιασμού της κατασκευής, (γ) η πρόβλεψη και αντιμετώπιση γεωτεχνικών προβλημάτων κατά τη διάρκεια κατασκευής αλλά και τη λειτουργία του έργου και (δ) η έρευνα κάθε επακόλουθης αλλαγής στις γεωτεχνικές συνθήκες ή αστοχίας κατά την κατασκευή. Σκιαγραφώντας δηλαδή τους αντικειμενικούς σκοπούς της γεωτεχνικής έρευνας, μπορεί να λεχθούν τα ακόλουθα: i. Επιλογή θέσης. Η κατασκευή μεγάλων έργων εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα κατάλληλης θέσης. Καθώς η οικονομία και η ασφάλεια είναι πρωταρχικοί κανόνες τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα κάθε θέσης πρέπει να εξετάζονται πριν τη τελική απόφαση. ii. Θεμελίωση και σχεδιασμός εκσκαφών. Για τεχνικά έργα Σελίδα 8

όπως δρόμοι ή και πολυώροφες κατασκευές τα γεωτεχνικά προβλήματα πρέπει να αντιμετωπισθούν, καθώς η θέση λίγο-πολύ είναι δεδομένη και προκειμένου να εξασφαλιστεί η ασφάλεια και η οικονομία. iii. Σχεδιασμός προσωρινών εργασιών. Πολλές φορές η διαμόρφωση του χώρου μιας κατασκευής αποκαλύπτει σημαντικότερα προβλήματα από την ίδια την τελική κατασκευή. Παράδειγμα η ευστάθεια απότομων προσωρινών πρανών, οι μεγάλες εισροές νερού με τα όποια προβλήματα εγκυμονούν στις εκσκαφές για τη θεμελίωση κλπ. Αυτές λοιπόν οι προσωρινές δυσκολίες θα πρέπει να αποτελούν το αντικείμενο σοβαρής έρευνας. iv. Η επίδραση του έργου στον περιβάλλοντα χώρο. Οι εκσκαφές για την κατασκευή ενός έργου μπορεί να προκαλέσουν επίσης καταστροφές σε γειτονικές κατασκευές, με ποικίλες αιτίες. Σε μια ευρύτερη κλίμακα άντληση νερού πέρα από τα προβλήματα υφαλμύρωσης, μπορεί να προκαλέσει και εκτεταμένες εδαφικές υποχωρήσεις σε μια περιοχή με απρόσμενα αποτελέσματα. v. Διερεύνηση των υπαρχόντων κατασκευών. Ο έλεγχος των συνθηκών αστοχίας εδάφους ή της αστοχίας προϋπαρχόντων κατασκευών σε μια περιοχή εγκατάστασης ενός τεχνικού έργου αποτελεί ένα από τους βασικούς παράγοντες στην προσπάθεια που πρέπει να καταβληθεί για την κατανόηση των εδαφικών συνθηκών. Παράδειγμα η ταχύτητα εκδήλωσης καθιζήσεων στο χώρο ενδιαφέροντος, η οποία θα πρέπει να διερευνηθεί πλήρως από εργαστηριακές δοκιμές, αλλά κυρίως από ανάλυση των στοιχείων που υπάρχουν για τις κατασκευές στο χώρο έρευνας. vi. Σχεδιασμός των μέτρων θεραπείας. Σε κατασκευές που έχουν αστοχήσει ή διαπιστώνεται ότι μπορεί να αστοχήσουν, η εκτέλεση μέρους της έρευνας προς την κατεύθυνση αυτή θα βοηθήσει στο σχεδιασμό των πλέον κατάλληλων μέτρων αντιμετώπισης και θεραπείας. vii.έλεγχοι ασφαλείας. Σε μεγάλα τεχνικά έργα που έχουν κατασκευαστεί πριν πολύ καιρό, η παρούσα κατάστασή ευστάθειάς τους μπορεί για διάφορους λόγους να προβληματίζει. Έτσι, μια γεωτεχνική έρευνα είναι χρήσιμη στην προμή- Σελίδα 9

θεια στοιχείων για τη συνέχιση της ασφαλούς χρήσης του έργου. Δυστυχώς παρά τη σημασία, που όπως γίνεται αντιληπτό έχει η έρευνα πεδίου για την οικονομία και ασφάλεια της κατασκευής, το κόστος που διατίθεται συνήθως περιορίζεται στο 1-2% του συνολικού κόστους των εργασιών κατασκευής του έργου. Ο περιορισμός αυτός επιβάλλει την ανάγκη εφαρμογής συγκεκριμένων φάσεων έρευνας, που απορρέουν από την υπάρχουσα εμπειρία, για την οικονομικότερη προσέγγιση των τεχνικογεωλογικών προβλημάτων. Ένα σχέδιο των κύριων φάσεων της έρευνας πεδίου που πρέπει να ακολουθούνται δίνεται στο Report of the IAEG Commission on site investigation, του 1981. Σπουδαιότερες διαδικασίες εκπλήρωσης των αντικειμενικών σκοπών της έρευνας πεδίου: Εκτέλεση επί τόπου δοκιμών στην περιοχή της κατασκευής του υπό εκτέλεση έργου, Συγκέντρωση δειγμάτων για την εκτέλεση εργαστηριακών δοκιμών που θα αποκαλύψουν τα φυσικά χαρακτηριστικά και τις μηχανικές ιδιότητες που είναι αναγκαίες για: (α) την οικονομία και ασφάλεια στη θεμελίωση κατασκευών, (β) στην αντιστήριξη πρανών και (γ) στην ομαδοποίηση των γεωλογικών σχηματισμών σε τεχνικογεωλογικές ενότητες με παρόμοια γεωτεχνικά χαρακτηριστικά (διευκολύνεται ο σχεδιασμός στη μελέτη δύσκολών τεχνικά έργων, όπως σήραγγες, φράγματα κλπ). Σύνταξη Τεχνικογεωλογικών χαρτών. Τα διάφορα γεωτεχνικά προβλήματα και οι μορφές των αστοχιών που μπορεί να εκδηλωθούν και να πλήξουν τεχνικά έργα μπορεί να προέλθουν τόσο από φυσικές διεργασίες όσο και από ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Είναι πράγματι εντυπωσιακή η συσχέτιση των φυσικών διεργασιών και των ανθρωπίνων δραστηριοτήτων στην εκδήλωση των πάσης φύσεως γεωτεχνικών προβλημάτων, όπως αυτό αποκαλύπτεται στον πίνακα που ακολουθεί. Σελίδα 10

Σελίδα 11

Σελίδα 12

1. ΤΕΧΝΙΚΟΓΕΩΛΟΓΙΚΟΊ ΧΆΡΤΕΣ Η ανάγκη παρουσίασης Τεχνικογεωλογικών χαρτών έγινε πλήρως κατανοητή την τελευταία 40ετία, οπότε και άρχισε η δραστηριοποίηση της διεθνούς κοινότητας Τεχνικής Γεωλογίας προς την κατεύθυνση αυτή. Εν τούτοις δεν υπάρχει πρακτικός οδηγός για: το είδος και το πλήθος των τεχνικογεωλογικών πληροφοριών, τον τρόπο παρουσίασης αυτών, τους συμβολισμούς που θα πρέπει να χρησιμοποιούνται κλπ. ανάλογα του σκοπού, του περιεχομένου και της κλίμακας του χάρτη. Οι πλέον αξιόλογες κατευθύνσεις σύνταξης τεχνικογεωλογικών χαρτών εμπεριέχονται στον οδηγό της UNESCO / IAEG (1976), ενώ οι γενικές αρχές θεώρησης, πάνω στις οποίες διαμορφώθηκε ο οδηγός δίνονται από τους Dearman- Matula (1976). Κύριοι συμβολισμοί σχηματισμών (εδαφών και πετρωμάτων). Η απόδοση των διάφορων σχηματισμών (εδαφών και πετρωμάτων), σε γεωλογικούς χάρτες, γεωλογικές τομές αλλά και τομές γεωτρήσεων, πέρα από την λιθολογική περιγραφή, γίνεται και με τη χρήση διαφόρων συμβόλων και χρωμάτων. Σχετικά με τα χρώματα για παράδειγμα: αποχρώσεις του κίτρινου χρώματος έχει επικρατήσει να συμβολίζουν πρόσφατους σχηματισμούς (τεταρτογενείς ή και νεογενείς), του καφέ ιζήματα φλύσχη ή σχιστολίθους, το μπλε, πράσινο ή και πορτοκαλί τους ασβεστόλιθους, από τους παλαιότερους στους νεότερους και τα ηφαιστειακά με αποχρώσεις του ερυθρού. Oi συμβολισμοί που χρησιμοποιούνται όσον αφορά στους εδαφικούς σχηματισμούς έχουν σχέση με την κοκκομετρική σύσταση, ενώ αναφορικά με τους βραχώδεις, σχετίζονται με τη δομή ή/και την υφή του σχηματισμού. Σελίδα 13

Συμβολισμοί κύριων εδαφικών και βραχωδών σχηματισμών. Σελίδα 14

Συμβολισμοί διάφορων τεχνικογεωλογικών και υδρογεωλογικών στοιχείων Συμβολισμοί υπάρχουν επίσης για διάφορα τεχνικογεωλογικά ή και υδρογεωλογικά στοιχεία που είναι χρήσιμα για να αποδώσουν τη συμπεριφορά των σχηματισμών ή και διάφορα φαινόμενα. Συμβολισμοί γεωδυναμικών στοιχείων για τεχνικογεωλογικές χαρτογραφήσεις. Σελίδα 15

Συμβολισμοί υδρογεωλογικών χαρακτήρων για τεχνικογεωλογικές χαρτογραφήσεις. Συμβολισμοί γεωμορφολογικών χαρακτήρων για τεχνικογεωλογικές χαρτογραφήσεις. Σελίδα 16

Ελληνική εμπειρία Στον Ελληνικό χώρο, οι αρχικοί τεχνικογεωλογικοί χάρτες συντάσσονται μόνο σε μεγάλες κλίμακες στις μελέτες διάφορων έργων (δρόμοι, φράγματα, σήραγγες), καθώς και στην αποκατάσταση αρχαιολογικών χώρων και μνημείων. Ακολουθούν τα βασικά τοπογραφικά υπόβαθρα (1:1000, 1:2000, 1:5000) και συντάσσονται από κρατικές υπηρεσίες και ερευνητικά ιδρύματα, καθώς και ιδιωτικά γραφεία, χωρίς όμως να υπάρχει σχετική τράπεζα πληροφοριών από όπου θα μπορούσε να αντλήσει κανείς στοιχεία για το πλήθος αυτών και την ακριβή περιοχή που αναφέρονται. Ελάχιστοι οι χάρτες ευρύτερων περιοχών, σε μικρότερες κλίμακες, που να υπάρχουν βασικές τεχνικογεωλογικές πληροφορίες στο σχεδιασμό της χρήσης γης και την αξιοποίηση αναπτυσσόμενων περιοχών. Χάρτες τεχνικογεωλογικής διάκρισης των σχηματισμών του Ελληνικού χώρου, σε κλίμακα 1:30.000 1:50.000 περίπου έχουν γίνει σε σεισμόπληκτες και αστικές κυρίως περιοχές. Ακόμα, συντάχθηκε ο Τεχνικογεωλογικός χάρτης όλου του Ελληνικού χώρου σε κλίμακα 1 :500.000 (ΙΓΜΕ). Από την ίδια υπηρεσία εξεδόθη ο Γεωτεχνικός χάρτης της ευρύτερης περιοχής Θεσσαλονίκης σε κλίμακα 1:10.000. Ακόμα, στο πλαίσιο διδακτορικών διατριβών έχει εκτελεσθεί ή εκτελείται η τεχνικογεωλογική χαρτογράφηση ευρύτερων περιοχών. 2. ΕΠΊ ΤΌΠΟΥ ΔΟΚΙΜΈΣ Αρχαίοι χρόνοι: αρχικό ενδιαφέρον για τη συμπεριφορά των εδαφικών και βραχωδών σχηματισμών. Εποχή Coulomb, (180 αιώνα) η ουσιαστική προσπάθεια προς την κατεύθυνση της αναλυτικής εξέτασης αυτών. Αρχές εικοστού αιώνα (πρώτο τέταρτο): η εκτέλεση σημαντικών τεχνικών έργων σε διάφορες χώρες με σοβαρές αστοχίες, Σελίδα 17

Στα χρόνια που ακολούθησαν αναπτύχθηκαν τεχνικές και μέθοδοι με σκοπό την ποσοτικοποίηση της συμπεριφοράς των σχηματισμών, δηλαδή την απόκτηση αριθμητικών δεδομένων για τα φυσικά χαρακτηριστικά και τις μηχανικές τους ιδιότητες (όχι ποιοτική εξέταση όπως μέχρι τότε). Άρα εξέλιξη των μέσων και μεθόδων των επιτόπου, αλλά και εργαστηριακών δομικών (συμπεριφορά απόκρισης σε στατική και δυναμική φόρτιση εκτός και εντός Ελλάδος). Η εκτέλεση των επιτόπου δοκιμών εντούτοις απαιτεί τη δημιουργία πρόσβασης στο υπό εξέταση υλικό, που επιτυγχάνεται με την εκτέλεση ερευνητικών ορυγμάτων ή πηγαδιών, δοκιμαστικών στοών και γεωτρήσεων. Έτσι, εξασφαλίζεται η αρτιότερη γνώση σχετικά με τη φυσική κατάσταση, αντοχή, παραμορφωσιμότητα, υδροπερατότητα και χημική σταθερότητα των σχηματισμών που απαντούν στο χώρο κατασκευής του έργου. Οι επιτόπου δοκιμές που χρησιμοποιούνται για την επίτευξη των παραπάνω στόχων, χαρακτηρίζονται από την ευκολία εκτέλεσης, την απλότητα των μέσων, τη μικρότερη δυνατή χρονική διάρκεια ολοκλήρωσης, αλλά και τους περιορισμούς και τα μειονεκτήματα που συνεπάγονται αυτές οι απλοποιήσεις. Το ίδιο περίπου συμβαίνει και με τις εργαστηριακές δοκιμές. Αναλυτικά, οι πλέον ευρέως χρησιμοποιούμενες δοκιμές (πεδίου και εργαστηρίου) είναι οι ακόλουθες: 2Α. Εδαφικοί σχηματισμοί. 1. Προσδιορισμός συντελεστή υδροπερατότητας (Pumρing in tests). Πρόκειται για δοκιμές είτε μεταβλητού (πτωτικού) φορτίου (Maag) που αναφέρονται σε λεπτόκοκκους εδαφικούς σχηματισμούς είτε για δοκιμές σταθερού φορτίου (Lefranc), που αναφέρονται σε αδρόκοκκους εδαφικούς Σελίδα 18

σχηματισμούς. Γενικά Συχνά αναγκαία η γνώση της διαπερατότητας του εδάφους προκειμένου να αντιμετωπιστούν προβλήματα που σχετίζονται: με την εισροή νερού μέσα σε εκσκαφές (π.χ. σήραγγες, στοές μεταλλείων-ορυχείων, εκσκαφές θεμελιώσεων, ανοικτές εκσκαφές μεταλλείων) ή με διαρροές κάτω από κατασκευές συγκράτησης νερού (π.χ. φράγματα, λιμνοδεξαμενές, αναχώματα λιμνών, κανάλια, κλπ). Διαπερατότητα είναι η ιδιότητα των υλικών να επιτρέπουν την κίνηση ενός ρευστού διαμέσου της μάζας τους. Συνεπώς οποιοσδήποτε σχηματισμός επιτρέπει τη διέλευση ρευστού δια μέσου της μάζας του καλείται περατός (permeable), ενώ όταν η κίνηση αυτή μέσα στη μάζα του σχηματισμού είναι πολύ δύσκολη έως αδύνατη, τότε αυτός καλείται αδιαπέρατος (impermeable). Εσωτερική ή permeability) πραγματική διαπερατότητα (intrinsic Γενικά η εσωτερική ή πραγματική διαπερατότητα (intrinsic permeability) συνδέεται με το πορώδες των διάφορων εδαφικών ή και βραχωδών σχηματισμών. Για τους τελευταίους πέρα από το πρωτογενές πορώδες η διαπερατότητα συνδέεται και με άλλα κενά στη μάζα τους, όπως για παράδειγμα διαρρήξεων, καρστικών αγωγών, κλπ, αν υπάρχει σύνδεση μεταξύ τους (δευτερογενές πορώδες). Εγκλωβισμός αερίων στη μάζα ενός ηφαιστειακού πετρώματος είναι κενά που δεν επικοινωνούν μεταξύ τους. Έτσι, η αρχική διαπερατότητα σχετίζεται με: (α) το βαθμό σύνδεσης των πόρων μέσα στη μάζα του πετρώματος (ενεργό πορώδες) και (β) το φυσικό μέγεθος των πόρων. Σημαντικοί παράγοντες. Ο ένας επιτρέπει ή όχι την περατότητα ο άλλος το μέγεθος αυτής. Συνεπώς, στους βραχώδεις σχηματισμούς η αρχική δια Σελίδα 19

περατότητα είναι έμμεσα συνδεδεμένη με το πρωτογενές πορώδες και εξαρτάται κύρια από το δευτερογενές πορώδες. ΝΌΜΟΣ DARCY, ΥΔΡΑΥΛΙΚΉ ΑΓΩΓΙΜΌΤΗΤΑ (ΥΔΡΟΠΕΡΑΤΌΤΗΤΑ) Όπως είναι γνωστό για να υπάρξει ροή ρευστού μέσα σε ένα κορεσμένο υλικό χρειάζεται η παρουσία υδραυλικού φορτίου (διαφορά στην υδροστατική πίε- Στάθμη υπόγειου νερού h1 h2 h1>h2 ση). Απεικόνιση ροής υπόγειου νερού. Στην περίπτωση όπου δεν υπάρχει υδραυλική κλίση, i, (hydraulic gradient) σε οποιοδήποτε σημείο X του επιπέδου Α-Α, η πίεση P του νερού είναι ίση με το γινόμενο του h (ύψος στάθμης υπεδαφικού νερού) και του γw (πυκνότητα του νερού): P = hγw Αντίθετα όπου h1>h2, υπάρχει υδραυλική κλίση και σύμφωνα με το νόμο του Darcy Q = ka dh dl όπου, Q = Η ποσότητα του νερού που ρέει μέσα από διατομή Α k = Ο συντελεστής υδροπερατότητας A = Η διατομή μέσα στο σχηματισμό διαμέσου της οποίας ρέει το νερό Σελίδα 20

dh/dl = η υδραυλική κλίση. Επιφάνεια εδάφους Επιφάνεια εδάφους Στάθμη υπεδαφικού νερού Στάθμη υπεδαφικού νερού P=hγw h1 h2 X Α Α l Α Α (α) l (β) Καθεστώς υπεδαφικού νερού. (α) χωρίς υδραυλική κλίση, (β) με υδραυλική κλίση. Συνεπώς, οποιαδήποτε αύξηση είτε στην υδραυλική κλίση είτε στις διαστάσεις της διατομής Α, θα επιφέρει αύξηση στη ποσότητα του νερού που ρέει. Επανερχόμενοι στο νόμο του Darcy, ο λόγος της ποσότητας (Q) του νερού που ρέει μέσα από συγκεκριμένη διατομή (Α) σε συγκεκριμένο χρόνο, δια της διατομής αυτής, καθορίζει τη μέση ταχύτητα ροής (u), δηλαδή: u= με γενικευμένη μορφή: όπου Q dh = k A dl u = c.i, i = η υδραυλική κλίση (dh/dl) και c = σταθερά Η σταθερά c εξαρτάται από δύο παράγοντες: Σελίδα 21

(α) το υλικό μέσο (μέγεθος πόρων, βαθμός σύνδεσης των πόρων κλπ) (β) τις ιδιότητες του ρευστού (ιξώδες, πυκνότητα κλπ). Στην περίπτωση που το κινούμενο ρευστό είναι το νερό, τότε και μόνο τότε η σταθερά c ισούται με k, δηλαδή με την υδραυλική αγωγιμότητα (hydraulic conductivity) ή όπως συνήθως καλείται, με το συντελεστή υδροπερατότητας. Συνεπώς θα πρέπει να διακρίνεται η εσωτερική ή πραγματική διαπερατότητα Κ η οποία είναι μια ιδιότητα του υλικού μέσου μεταβίβασης του ρευστού και ανεξάρτητη των ιδιοτήτων του ρευστού που μεταβιβάζεται, από την υδραυλική αγωγιμότητα ή συντελεστή υδροπερατότητας k. Οι δύο αυτές ιδιότητες συνδέονται με τον τύπο: K = kµ ρg, όπου Κ = Εσωτερική ή πραγματική διαπερατότητα του υλικού μέσου, k = Συντελεστής υδροπερατότητας ή υδραυλική αγωγιμότητα, μ = Δυναμικό ιξώδες ρευστού, ρ = Πυκνότητα ρευστού, g = Επιτάχυνση βαρύτητας. Μονάδες Συντελεστή υδροπερατότητας Επανερχόμενοι στο γενικευμένο τύπο του Darcy για το νερό θα έχουμε: u = k.i, όπου i η υδραυλική κλίση (dh/dl) και k ο συντελεστής υδροπερατότητας. Σελίδα 22

Έτσι, σε υδροφόρο με υδραυλική κλίση i, η ποσότητα του νερού Q που διέρχεται από διατομή Α σε χρόνο t, είναι ανάλογη των i,α,t και k, δηλαδή, Q = A t k i ή Q = (Aki)t ή Q = q t, όπου q = (Aki). Από την τελευταία εξίσωση προκύπτει η q = Q/t, δηλαδή η ροή στη μονάδα του χρόνου, σύμφωνα με την οποία ο συντελεστής υδροπερατότητας ισούται με: k = q/ai και επομένως μετράται σε m/year, m/sec, cm/sec, δηλαδή έχει διαστάσεις ταχύτητας. ΤΡΌΠΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΎ ΤΟΥ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΉ ΥΔΡΟΠΕΡΑΤΌΤΗΤΑΣ Οι καλύτερες προσεγγίσεις της τιμής του συντελεστή υδροπερατότητας γίνονται με τη βοήθεια δοκιμών άντλησης (pumping tests) σε υδρογεωτρήσεις, όπου σε μία κύρια γεώτρηση γίνεται η άντληση και σε δορυφόρες αυτής η παρατήρηση του κώνου πτώσης της στάθμης του νερού. Μέθοδοι που χρησιμοποιούν αυτή τη διαδικασία, όπως οι μέθοδοι Theis, Cooper Jacob κλπ περιγράφονται αναλυτικά στα εγχειρίδια υδρογεωλογίας. Μέθοδοι δαπανηροί και χρονοβόροι για τις ανάγκες των τεχνικών έργων. Έτσι, ο υπολογισμός του συντελεστή υδροπερατότητας γίνεται είτε κατ εκτίμηση (με εμπειρικούς τύπους και διαγράμματα), είτε με τη χρήση περατομέτρων σταθερού ή πίπτοντος φορτίου στο εργαστήριο είτε τέλος στην ύπαιθρο με δοκιμές άντλησης (pumping out tests), ή με δοκιμές εισπίεσης Σελίδα 23

(Pumping in tests). Ι. ΕΜΠΕΙΡΙΚΟΊ ΤΎΠΟΙ Πολλοί ερευνητές έχουν μελετήσει τη σχέση του συντελεστή υδροπερατότητας ή υδραυλικής αγωγιμότητας με τις ιδιότητες του πορώδους μέσου και έτσι αρκετοί τύποι έχουν προκύψει από αναλυτικές ή και πειραματικές εργασίες. Οι περισσότεροι από τους οποίους έχουν τη γενική μορφή, k = c d2, όπου c είναι ένας αδιάστατος συντελεστής, ή τη μορφή k = fs fa d2, όπου fs είναι παράγοντας σχετιζόμενος με το σχήμα των κόκκων (ή των πόρων), fa παράγοντας σχετιζόμενος με το πορώδες και d χαρακτηριστική διάμετρος των κόκκων. Αξιοπιστία φυσικά μικρή (αδύνατη η εμπλοκή όλων των πιθανών μεταβλητών στο πορώδες μέσο). Ια. Μέθοδος Hazen Ο πιο κοινός από τους εμπειρικούς τύπους είναι αυτός του Hazen, που σχετίζει το συντελεστή υδροπερατότητας με τη διάμετρο των κόκκων που λαμβάνεται από την καμπύλη της κοκκομετρικής ανάλυσης, στη διασταύρωση της καμπύλης με τη γραμμή του 10% σε βάρος. Αναλυτικότερα ο τύπος που χρησιμοποιείται είναι: k = c D102 όπου: k = ο συντελεστής υδροπερατότητας c = συντελεστής D10 = διάμετρος των κόκκων στο 10% κατά βάρος της Σελίδα 24

κοκκομετρικής καμπύλης. Ο συντελεστής c έχει μοναδιαία τιμή όταν ο συντελεστής υδροπερατότητας μετράται σε cm/sec και η D10 σε mm, ενώ αποκτά τιμή 100 όταν ο συντελεστής υδροπερατότητας μετράται σε m/sec και η D10 σε cm. Άρα αν μετράμε τον k σε cm/sec τότε k = D102. Ιβ. Με την κοκκομετρική καμπύλη Προσεγγιστικός προσδιορισμός του συντελεστή υδροπερατότητας με βάση την κοκκομετρική καμπύλη του εδαφικού δείγματος. Διαφέρει από αυτόν του Hazen στο ότι λαμβάνει υπόψη όλη την κοκκομετρική καμπύλη του δείγματος που μπορεί να προσδιοριστεί εύκολα με τη κοκκομετρική ανάλυση στο εργαστήριο. Ιγ. Υπολογισμός από τα δεδομένα της δοκιμής συμπιεστότητας (Consolidation test) Σελίδα 25

Ο Συντελεστής υδροπερατότητας αργιλικών εδαφών μπορεί να μπορεί να υπολογιστεί και από χαρακτηριστικές παραμέτρους της συμπιεστότητας και συγκεκριμένα: του συντελεστή μεταβολής όγκου (coefficient of volume compressibility) και του συντελεστή στερεοποίησης (coefficient of consolidation), που προσδιορίζονται στο εργαστήριο με τη βοήθεια της δοκιμής στερεοποίησης και βάσει του τύπου: k T = 0,31 10 9 cv mv γ w, όπου mv= συντελεστής μεταβολής όγκου, σε m2 / year cv = συντελεστής στερεοποίησης, σε m2 / MN kτ = συντελεστής υδροπερατότητας σε m/sec στη θερμοκρασία της δοκιμής Τ και κατά τη διάρκεια συγκεκριμένου βήματος αύξησης φορτίου (συνήθως από το 1 στα 2 Kgr). γw = πυκνότητα νερού, σε ΜΝ/m3 Λαμβανομένων πάντως υπόψη των προβλημάτων που υπεισέρχονται στους εμπειρικούς τύπους, οι εργαστηριακές μέθοδοι μέτρησης ή ακόμα καλλίτερα αυτές στην ύπαιθρο είναι προτιμώμενες. Σελίδα 26