ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑΣ ΚΑΙ ΓΕΩΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΔΟΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ

ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑΣ ΚΑΙ ΓΕΩΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΔΟΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Εκπαιδευτικές Σημειώσεις για το μάθημα: ΒΡΑΧΟΜΗΧΑΝΙΙΚΗ ΚΑΙΙ ΣΗΡΑΓΓΕΣ Γ. ΜΠΕΛΟΚΑΣ Δρ Πολιτικός Μηχανικός Επίκουρος Καθηγητής 2 η έκδοση Φεβρουάριος 2012

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 1.1 Οι σήραγγες στα έργα Πολιτικού Μηχανικού... 1 1.2 Βραχομηχανική Εδαφομηχανική... 4 1.3 Γεωτεχνικός Σχεδιασμός Σηράγγων... 6 1.4 Η Βραχομάζα Γεωλογικά Δεδομένα... 7 1.5 Παραδείγματα ασυνεχειών... 9 1.5.1 Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Στρώσεις... 9 1.5.2 Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Σχισμός... 10 1.5.3 Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Διακλάσεις, ρηγματώσεις... 10 1.5.4 Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Ρήγματα... 11 1.6 Η Βραχομάζα Γεωτεχνικά Δεδομένα... 11 1.6.1 Επιρροή κλίμακας... 12 2 ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΑΡΡΗΚΤΟΥ ΒΡΑΧΟΥ... 13 2.1 Εισαγωγή... 13 2.2 Δοκιμή σημειακής φόρτισης... 13 2.3 Δοκιμή μονοαξονικής θλίψης... 15 2.4 Δοκιμή τριαξονικής θλίψης... 17 2.5 Κριτήριο αστοχίας Mohr Coulomb... 17 2.6 Κριτήριο αστοχίας άρρηκτου βράχου... 19 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΑΣΥΝΕΧΕΙΩΝ ΒΡΑΧΟΥ... 21 3.1 Εισαγωγή... 21 3.2 Προσανατολισμός ασυνεχειών... 21 3.3 Απόσταση ασυνεχειών... 21 3.4 Εξάπλωση Συνέχεια ασυνεχειών... 24 3.5 Αντοχή τοιχωμάτων ασυνεχειών:... 25 3.6 Τραχύτητα ασυνεχειών:... 25 3.7 Άνοιγμα ασυνεχειών... 28 3.8 Υλικό πλήρωσης ασυνεχειών... 29 3.9 Διαπερατότητα ασυνεχειών... 29 3.10 Δοκιμή διάτμησης σε ασυνέχεια... 29 4 ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΒΡΑΧΟΜΑΖΑΣ... 31 4.1 Γενικά... 31 4.2 Σύστημα ταξινόμησης RMR... 31 4.3 Σύστημα ταξινόμησης Q... 34 4.4 Σύστημα ταξινόμησης GSI... 38 4.4.1 Εκτίμηση GSI... 39 4.4.2 Μηχανικές ιδιότητες βραχομάζας Μέτρο ελαστικότητας... 43 4.4.3 Μηχανικές ιδιότητες βραχομάζας Παράμετροι αντοχής... 44 5 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΣΗΡΑΓΓΩΝ... 47 5.1 Γενικά... 47 5.2 Αρχική εντατική κατάσταση... 51 5.3 Ακτινική σύγκλιση... 54 5.4 Υπολογισμός σύγκλισης σε κυκλική σήραγγα: ελαστικό απολύτως πλαστικό... 54 5.5 Υπολογισμός σύγκλισης σε κυκλική σήραγγα: εμπειρικές σχέσεις... 56 5.6 Σύγκλιση τοιχώματος κατά μήκος της σήραγγας... 56 5.7 Κατανομή τάσεων σε κυκλικής διατομής σήραγγα: ελαστική απολύτως πλαστική βραχομάζα... 58 5.8 Ανάλυση υποστήριξης με καμπύλες τάσης αποτόνωσης... 60 Γ. Μπελόκας i

5.9 Παράδειγμα υπολογισμού πίεσης υποστήριξης... 66 6 ΜΕΘΟΔΟΙ ΔΙΑΝΟΙΞΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ... 68 6.1 Προσωρινά μέτρα υποστήριξης... 71 7 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 76 Γ. Μπελόκας ii

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Οι παρούσες σημειώσεις καλύπτουν το βασικό αντικείμενο διδασκαλίας του μαθήματος «Βραχομηχανική Σήραγγες» που διδάσκεται στο Τμήμα Πολιτικών Έργων Υποδομής του ΤΕΙ Αθηνών. Οι σημειώσεις αυτές δεν υποκαθιστούν την τρέχουσα βιβλιογραφία και έχουν σαν στόχο να βοηθήσουν τους σπουδαστές στη μελέτη του μαθήματος. Οι σημειώσεις αυτές είναι αναρτημένες στο e-class. Το μάθημα χωρίζεται σε δύο βασικές ενότητες, τη Βραχομηχανική και τις Σήραγγες. Η Βραχομηχανική αποτελεί το βασικό υπόβαθρο για τη μελέτη και κατασκευή έργων υποδομής της επιστήμης του Πολιτικού Μηχανικού σε βραχώδεις σχηματισμούς. Στόχος είναι ο σπουδαστής να λάβει όλες εκείνες τις βασικές γνώσεις που θα τον βοηθήσουν να κατανοήσει τη μηχανική συμπεριφορά των βραχωδών σχηματισμών και θα του δώσουν τη δυνατότητα να εκτιμά ορισμένες βασικές μηχανικές παραμέτρους. Το τμήμα του μαθήματος Σήραγγες έχει ως βασικό στόχο ο σπουδαστής να κατανοήσει τη συμπεριφορά της βραχομάζας κατά τη διάνοιξη και κατασκευή μιας σήραγγας μέσω απλοποιημένων, αλλά βασικών μεθόδων ανάλυσής τους. Επιπλέον καλύπτει τις μεθόδους ανάλυσης σε επίπεδο προμελέτης, ενώ δίνεται έμφαση και σε κατασκευαστικά θέματα. Στην παρούσα 2 η έκδοση των σημειώσεων οι σημαντικότερες προσθήκες-αλλαγές αποτελούν ορισμένες πρόσθετες ασκήσεις καθώς και η προσθήκη της τελευταίας έκδοσης του κριτηρίου αστοχίας Hoek Brown. Τέλος, εκτός της βιβλιογραφίας που διανέμεται για το μάθημα πολύ χρήσιμη είναι η αναζήτηση στις παρακάτω ελεύθερα προσβάσιμες στο διαδίκτυο σημειώσεις: FHWA. 2009. Technical Manual for Design and Construction of Road Tunnels. (http://www.fhwa.dot.gov/bridge/tunnel/pubs/nhi09010/index.cfm) Hoek, E. 2007. Practical Rock Engineering. (http://www.rocscience.com/education/hoeks_corner) Καββαδάς, Μ. 2005. Σημειώσεις Σχεδιασμού Υπόγειων Έργων. Εκδόσεις Ε.Μ.Π. (http://users.civil.ntua.gr/kavvadas/books/books.htm) Αθήνα, Φεβρουάριος 2012 Δρ. Γ. Μπελόκας Επίκουρος Καθηγητής ΤΕΙ Αθήνας Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανικών Τοπογραφίας & Γεωπληροφορικής Γ. Μπελόκας iii

Γ. Μπελόκας iv

Εισαγωγή 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Οι σήραγγες στα έργα Πολιτικού Μηχανικού Τα σύγχρονα έργα υποδομής περιλαμβάνουν την κατασκευή σηράγγων: α) Συγκοινωνιακά έργα (π.χ. αυτοκινητόδρομοι, σιδηρόδρομοι): προσφέρουν δυνατότητα βελτίωσης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών (μειώνοντας τις καμπυλότητες της χάραξης) και τη δυνατότητα διέλευσης μέσα από δύσκολα τοπογραφικά ανάγλυφα. Έτσι, αυξάνεται η ταχύτητα σχεδιασμού και βελτιώνεται η ασφάλεια του έργου. β) Φράγματα (π.χ. σήραγγα εκτροπής κοίτης ποταμού, εκκένωσης ταμιευτήρα, υπερχειλιστή, μεταφορά νερού): κατασκευάζονται υδραυλικές σήραγγες κατά περίπτωση. γ) Στραγγιστικές σήραγγες: συχνά κατασκευάζονται για τη βελτίωση της ευστάθειας κατολισθήσεων. Ο μηχανισμός βελτίωσης της ευστάθειας γίνεται μέσω της καταβίβασης της στάθμης υπόγειου ορίζοντα μειώνοντας τις πιέσεις πόρων επί της επιφάνειας ολίσθησης. Οι περισσότερες σήραγγες κατασκευάζονται μέσα σε βραχώδεις σχηματισμούς. Παρακάτω παρουσιάζονται ορισμένα παραδείγματα σηράγγων: Συγκοινωνιακά έργα: ΑΤΤΙΚΟ ΜΕΤΡΟ, Σταθμός Αιγάλεω. Εκσκαφή σήραγγας με συμβατικά μέσα. δοκός προπορείας τμηματική εκσκαφή μετώπου Σχήμα 1.1: Τμηματική εσκαφή Μετώπου Γ. Μπελόκας 1

Εισαγωγή εκτοξευόμενο σκυρόδεμα μεταλλικά πλαίσια ενίσχυση μετώπου πλέγμα Σχήμα 1.2: Προσωρινά μέτρα υποστήριξης. εκτοξευόμενο σκυρόδεμα αγκύρια αγκύρια πλέγμα Σχήμα 1.3: Προσωρινά μέτρα υποστήριξης. Γ. Μπελόκας 2

Εισαγωγή Στραγγιστικές σήραγγες: Στραγγιστικές σήραγγες: είσοδος στραγγιστικής σήραγγας εκτροπή ρέματος εκτός κατολίσθησης όρια κατολίσθησης στραγγιστική σήραγγα Σταθεροποίηση κατολίσθησης στη λεκάνη απορροής του φράγματος του Ευήνου (μελετητής ΕΔΑΦΟΣ ΑΕ). Σχήμα 1.4: Χάραξη σήραγγας σταθεροποίησης κατολίσθησης στόμιο Σχήμα 1.5: Στόμιο σήραγγας Σχήμα 1.6: Μέτωπο σήραγγας και υποστήριξη με πλαίσιο και μεταλλικό πλέγμα (δεν έχει τοποθετηθεί το εκτοξευόμενο σκυρόδεμα) Γ. Μπελόκας 3

Εισαγωγή Σχήμα 1.7: Μέτρα υποστήριξης στραγγιστικής σήραγγας (έχει τοποθετηθεί το εκτοξευόμενο σκυρόδεμα) 1.2 Βραχομηχανική Εδαφομηχανική Η γεωτεχνική μηχανική ασχολείται με τις εξής δύο ευρείες κατηγορίες υλικών: α) εδάφη και β) βράχοι (πετρώματα). Τα εδάφη με ανάδευση σε νερό και απλή μηχανική διασπώνται στους κόκκους που τα συνθέτουν σε αντίθεση με τους βράχους. Οι αντίστοιχοι κλάδοι που μελετούν τη μηχανική συμπεριφορά των γεωυλικών είναι οι εξής: α) Εδαφομηχανική: Προσομοιώνει το έδαφος ως συνεχές μέσο. Το νερό έχει σημαντικό ρόλο στη συνολική συμπεριφορά (αρχή ενεργών τάσεων: σ=σ +u, τα εδάφη παραμορφώνονται όταν υπάρχει μεταβολή της ενεργού τάσης σ ) β) Βραχομηχανική: Σημαντικό ρόλο στη συμπεριφορά του εδάφους έχει η ποιότητα της βραχόμαζας και οι ασυνέχειες. Ανάλογα με την κατάσταση στην οποία βρίσκεται μπορεί να θεωρηθεί ως συνεχές ή ασυνεχές μέσο (το πλήθος και η έκταση των ασυνεχειών έχουν κυρίαρχο ρόλο). Για παράδειγμα: Έντονα αποσαθρωμένη ασθενής βραχόμαζα με πολλές ασυνέχειες: Ισχυρός βράχος με διακεκριμένες λίγες ασυνέχειες: Πιθανή επιφάνεια ολίσθησης ευστάθεια σφήνας Η αντοχή της βραχόμαζας ελέγχει την ευστάθεια Το υλικό στις αναλύσεις ευστάθειας θεωρείται ως συνεχές μέσο. Η αντοχή επί συγκεκριμένης ασυνέχειας ελέγχει την ευστάθεια Το υλικό στις αναλύσεις ευστάθειας θεωρείται ως ασυνεχές μέσο. Σχήμα 1.8: Διαφορετικές καταστάσεις βραχομάζας ανάλογα με το βαθμό κερματισμού τους Γ. Μπελόκας 4

Εισαγωγή Υπάρχουν οι ακόλουθες τρεις μεγάλες κατηγορίες πετρωμάτων: Πυριγενή πετρώματα: προέρχονται από τη στερεοποίηση του μάγματος. Π.χ. γρανίτες, τόφφοι. Ιζηματογενή πετρώματα: προέρχονται από τη λιθοποίηση (διαδικασία διαγένεσης) ιζηματογενών εδαφών. Π.χ. κροκαλοπαγές, ιλυόλιθος, μάργα, ασβεστόλιθος, γύψος. Μεταμορφωμένα πετρώματα: προέρχονται από τη μεταμόρφωση προϋπάρχοντων πετρωμάτων. Έτσι, αλλάζει διάταξη ορυκτών (ζωνώδης ή σχιστοφυής ιστός) ή/και την ορυκτολογική τους σύσταση. Π.χ.: Μάρμαρο, σχιστόλιθος, χαλαζίτης. Τα ιζηματογενή πετρώματα έχουν μηχανικές ιδιότητες που αντιστοιχούν συνήθως σε μαλακούς βράχους (π.χ. ιλυόλιθοι και μάργες), ενώ εμφανίζουν μεγάλη αποσαθρωσιμότητα. Όταν οι διακοκκώδεις δεσμοί τσιμέντωσης είναι ισχυροί τότε συμπεριφέρονται σαν ισχυροί βράχοι (π.χ. ασβεστόλιθος, ψαμμίτης, δολομίτης) Τα γεωυλικά που εμφανίζονται στην επιφάνεια της γης είναι προϊόν του γεωλογικού κύκλου που δρα αέναα και αποτελείται από τέσσερις βασικές διαδικασίες, χωρίς να αποκλείεται η ταυτόχρονη δράση περισσοτέρων από μία: απόθεση απογύμνωση-διάβρωση μορφοποίηση ιζήματος μετακινήσεις φλοιού Σχήμα 1.9: Οι τέσσερις βασικές διαδικασίες του γεωλογικού κύκλου Κατά τη διάρκεια αυτών των διαδικασιών υπάρχουν διάφοροι παράγοντες που τροποποιούν το υλικό, όπως για παράδειγμα οι διαδικασίες διαγένεσης που μπορεί να οδηγήσουν σε ισχυροποίηση των δεσμών μεταξύ των κόκκων μέχρι και τη λιθοποίηση του μητρικού εδαφικού υλικού και τη μετατροπή του σε βράχο. Επίσης, σε υλικά βραχώδη επενεργούν διαδικασίες αποσύνθεσής τους σταδιακά σε εδάφη, όπως η αποσάθρωση (μηχανικός τρόπος) και η διάβρωση (χημική διαδικασία), σύμφωνα με τα όσα περιγράφονται στο παρακάτω διάγραμμα: Αυτόχθονα εδάφη διαγένεση Ιζηματογενή εδάφη διάβρωση αποσάθρωση έδαφος Ιζηματογενής βράχος μεταμόρφωση διάβρωση Μεταμορφωμένος βράχος Αποσαθρωμένος βράχος διάβρωση διάβρωση βράχος Μαλακός βράχος Πυριγενής βράχος Σχήμα 1.10: Ο γεωλογικός κύκλος των γεωυλικών. Γ. Μπελόκας 5

Εισαγωγή Από άποψη μηχανικών ιδιοτήτων (αντοχή και παραμορφωσιμότητα), υπάρχει η ακόλουθη γενική διάκριση μεταξύ εδαφών και βράχων, η οποία βασίζεται στο ενιαίο φάσμα γεωυλικών των Dobereiner & De Freitas (1986) και Johnston & Novello (1993): Εδάφη Μαλακά Μέσα Σκληρά Εδαφομηχανική Βραχομηχανική Μαλακοί Μέσοι Βράχοι Σκληροί αντοχή σε μονοαξονική θλίψη αυξάνεται αυξάνει η παρουσία και η επιρροή μακροδομικών ασυνεχειών Σχήμα 1.11: Το ενιαίο φάσμα γεωυλικών (βασισμένο στους Dobereiner & De Freitas, 1986) Σχήμα 1.12: Ενιαίο φάσμα γεωυλικών κατά Johnston & Novello (1993) 1.3 Γεωτεχνικός Σχεδιασμός Σηράγγων Μια τυπική πορεία γεωτεχνικού σχεδιασμού μιας σήραγγας έχοντας δεδομένη τη χάραξη περιλαμβάνει την ακόλουθη διαδικασία: Γεωλογική Μελέτη Γεωλογικές συνθήκες, γεωλογική μηκοτομή, ταξινόμηση βραχόμαζας, Γεωτεχνικός Σχεδιασμός Γεωτεχνική Έρευνα & Αξιολόγηση Γεωτεχνική Μελέτη Μηχανικές ιδιότητες βραχόμαζας, κατηγορίες βραχόμαζας. Η έρευνα είναι στοχευμένη στις ανάγκες του έργου. Ανάλυση και σχεδιασμός: α) υποστήριξη στομίου, β) προσωρινή υποστήριξη παρειών και μετώπου (τυπικές διατομές ανάλογα με την ποιότητα βραχόμαζας), γ) φορτία μόνιμης Στατική Μελέτη Σχεδιασμός μόνιμης επένδυσης Σχήμα 1.13: Τυπική πορεία γεωτεχνικού σχεδιασμού σήραγγας Η γεωτεχνική έρευνα περιλαμβάνει τις επί τόπου και τις εργαστηριακές δοκιμές και μας δίνει σημειακή πληροφόρηση κατά μήκος της γεώτρησης. Για το λόγο αυτό η γεωτεχνική αξιολόγηση, η οποία μας δίνει το γεωτεχνικό προσομοίωμα πρέπει να συνεκτιμά και τα γεωλογικά δεδομένα. Το γεωτεχνικό προσομοίωμα είναι αυτό που μας δίνει τη Γ. Μπελόκας 6

Εισαγωγή στρωματογραφία με τις γεωτεχνικές μηχανικές ιδιότητες και τις παραμέτρους σχεδιασμού. Διαφέρει από το γεωλογικό προσομοίωμα στο γεγονός ότι το γεωλογικό προσομοίωμα μας δίνει τους γεωλογικούς σχηματισμούς και στην περίπτωση των βραχωδών σχηματισμών το βαθμό αποσάθρωσής τους και κερματισμού τους και τον προσανατολισμό των ασυνεχειών. Η γεωτεχνική και η γεωλογική έρευνα πρέπει να είναι σχεδιασμένες, ώστε να καλύπτουν τις ανάγκες του έργου (π.χ. κατάλληλο εύρος δειγματοληψίας και είδη δοκιμών). Κατά τη γεωτεχνική μελέτη, ο γεωτεχνικός μηχανικός συνεργάζεται στενά με τον τεχνικό γεωλόγο, ώστε να κατανοήσει τις ειδικές γεωλογικές συνθήκες που επηρεάζουν το γεωτεχνικό σχεδιασμό του έργου. Για παράδειγμα, η γεωλογική μηκοτομή προκύπτει από τα δεδομένα της γεωτεχνικής έρευνας και της γεωλογικής χαρτογράφησης: Εύρος Γ6 Γέφυρα Σήραγγα δειγματοληψίας Γ5 Γ4 Γ7 Επίχωμα Γ1 Γ2 Γ3 Γ8 Κορήματα αλλουβιακές αποθέσεις Κοίτη ποταμού Ασβεστόλιθος Ιλυόλιθος Ψαμμίτης Κερατόλιθος 1.4 Η Βραχομάζα Γεωλογικά Δεδομένα Σχήμα 1.14: Παράδειγμα γεωλογικής μηκοτομής Τα δομικά χαρακτηριστικά των πετρωμάτων επηρεάζουν σημαντικά τις ιδιότητές τους. Αυτά έχουν άμεση σχέση με την προέλευσή τους. Έτσι, οι ιζηματογενείς βράχοι αποτελούνται από συγκολλημένους κόκκους, έχουν δηλαδή κλαστική δομή. Αντίθετα, οι πυριγενείς μεταμορφωμένοι βράχοι παρουσιάζουν κρυσταλλική δομή (δεν υπάρχουν κόκκοι). Τα πετρώματα έχουν μεγαλύτερη αντοχή (συνοχή, c, και γωνία διατμητικής αντοχής, φ) και στιβαρότητα (μέτρο ελαστικότητας) από τα εδάφη: σπάνε σε μικρή παραμόρφωση δημιουργώντας ρωγμές (ασυνέχειες) σε αντίθεση με τα εδαφικά υλικά (εξαίρεση αποτελούν ορισμένα στιφρά εδάφη που συμπεριφέρονται σαν μαλακοί βράχοι με μακροδομικές ασυνέχειες). Τα πετρώματα εμφανίζουν τις μικροασυνέχειες και τις μακροασυνέχειες. Οι μακροασυνέχειες είναι ασυνέχειες κλίμακας μεγαλύτερης του πορώδους και του μεγέθους των κόκκων, αντίθετα από τις μικροασυνέχειες (π.χ. φύλλωση). Ειδικότερα, οι μακροασυνέχειες αποτελούν επίπεδα αδυναμίας ή αποχωρισμού του πετρώματος. Στα επίπεδα αυτά η αντοχή σε εφελκυσμό είναι από μηδενική έως πολύ μικρή. Παραδείγματα ασυνεχειών είναι ο διαχωρισμός στρώσεων, οι διακλάσεις (ρωγμές), η σχιστότητα, τα ρήγματα κ.λπ. Ο προσανατολισμός των ασυνεχειών ως προς το τεχνικό έργο επηρεάζει σημαντικά το σχεδιασμό του Ο βράχος μπορεί να βρεθεί στις ακόλουθες δυνατές καταστάσεις: α) Ακέραιος (άρρηκτος, υγιής) βράχος Είναι ένα συνεχές πολυκρυσταλλικό σώμα (ωστόσο μπορεί να έχει πορώδες) Γ3 Γεώτρηση Γ. Μπελόκας 7

Εισαγωγή Έχει μικρο ασυνέχειες (στην κλίμακα του κόκκου, όπως σχιστότητα, φύλλωση, πορώδες κ.λπ.) Δεν έχει μακρο ασυνέχειες (μεγαλύτερες της κλίμακας του κόκκου, όπως ρωγμές, στρώσεις, κ.λπ.) β) Διακλασμένος βράχος (βραχόμαζα) Είναι ασυνεχές μέσο που αποτελείται από βραχώδες υλικό που διατέμνεται από γεωλογικές ασυνέχειες (μακροασυνέχειες). Τα υγιή τεμάχια του βράχου εξακολουθούν να είναι συνεχές μέσο Αποτελεί τη συνήθη επί τόπου κατάσταση της βραχώδους μάζας Έχει πάντα μικρότερη αντοχή και μεγαλύτερη παραμορφωσιμότητα από τον υγιή βράχο, δηλαδή έχει μειωμένες μηχανικές ιδιότητες. Ο σχεδιασμός του έργου γίνεται συναξιολογώντας τα γεωλογικά και γεωτεχνικά δεδομένα. Τα γεωλογικά δεδομένα έχουν ουσιώδη σημασία στη σύλληψη του έργου από το μηχανικό. Τα γεωτεχνικά δεδομένα προκύπτουν από τη γεωτεχνική έρευνα και αξιολόγηση συνεκτιμώντας τα γεωλογικά δεδομένα, και αποτελούν τις μηχανικές ιδιότητες της βραχομάζας (π.χ. συνοχή, γωνία διατμητικής αντοχής, μέτρο ελαστικότητας, διαπερατότητας). Τα γεωτεχνικά δεδομένα απαιτούνται στον τελικό σχεδιασμό του έργου, ο οποίος περιλαμβάνει τους γεωτεχνικούς υπολογισμούς. Τα γεωλογικά δεδομένα της βραχομάζας, προκύπτουν από τη γεωλογική αναγνώριση των πετρωμάτων (τύποι πετρωμάτων και μηχανισμοί γένεσης και προέλευσης) που εμφανίζονται στο τεχνικό έργο και την ταξινόμηση της βραχομάζας. Αυτά προκύπτουν από τα δείγματα των γεωτρήσεων και τις επιφανειακές εξάρσεις των πετρωμάτων. Μάλιστα, η πρώτη εργασία που γίνεται κατά τη γεωλογική μελέτη είναι η γεωλογική χαρτογράφηση, η οποία περιλαμβάνει την αποτύπωση πάνω στο χάρτη της περιοχής ενδιαφέροντος όλων των γεωλογικών σχηματισμών καθώς και στοιχείων όπως ο προσανατολισμός ασυνεχειών, η κατάσταση ποιότητα της βραχομάζας, περιοχές κατολισθήσεων κ.λπ. Η ταξινόμηση της βραχομάζας περιλαμβάνει την περιγραφική ταξινόμηση και την κατάταξη των πετρωμάτων και στη συνέχεια την περιγραφή και ταξινόμηση της βραχομάζας, καθώς και αποτίμηση των υδρογεωλογικών συνθηκών στην περιοχή του έργου. Η περιγραφική ταξινόμηση των πετρωμάτων γίνεται με χρήση των περιγραφικών δεικτών: Τύπος, Χρώμα, Μέγεθος Κόκκων, Δομή & Ιστός, Αποσάθρωση, Εξαλλοίωση, Αντοχή. Η κατάταξη του πετρώματος βάσει δεικτών από απλές δοκιμές και φυσικά χαρακτηριστικά: Σκληρότητα, Ανθεκτικότητα, Πορώδες, Πυκνότητα, Αντοχή, Ταχύτητα διάδοσης κυμάτων Η περιγραφή και ταξινόμηση της βραχομάζας περιλαμβάνει στοιχεία που αφορούν την έκταση, την πυκνότητα, τη διεύθυνση προσανατολισμό και την κατάσταση των ασυνεχειών και το βαθμό αποσάθρωσής της: α) Ασυνέχειες (ρήγματα, στρωσιγένεια, ρωγμές, διακλάσεις): η αναγνώριση και αποτύπωσή τους είναι ουσιώδης σημασίας διότι επηρεάζουν το γεωτεχνικό σχεδιασμό του έργου. Πρέπει να γίνεται χαρακτηρισμός των ασυνεχειών (10 παράμετροι βάσει της Διεθνούς Ένωσης Βραχομηχανικής ISRM), όπως θα αναπτυχθεί στην αντίστοιχη ενότητα. Επίσης, πρέπει να χαρτογραφούνται τα κύρια ρηγμάτα ασυνέχειες. β) Βαθμός αποσάθρωσης: επηρεάζει τη μηχανική συμπεριφορά. Υπάρχουν τα συστήματα ταξινόμησης βραχόμαζας όπως θα αναπτυχθεί στην αντίστοιχη ενότητα. Γ. Μπελόκας 8

Εισαγωγή γ) Υπόγεια υδροφορία: επηρεάζεται από την πετρογραφική σύσταση (ιλυόλιθος αδιαπέρατος, ψαμμίτης υδροπερατός, ασβεστόλιθος ενδεχομένως καρστικοποιημένος) και από τις ασυνέχειες (εάν είναι μη πληρωμένες ανοικτές, υπάρχει υψηλή υδροπερατότητα παράλληλα στο επίπεδό τους) 1.5 Παραδείγματα ασυνεχειών Τυπικές ασυνέχειες είναι οι στρώσεις, τα ρήγματα, ο σχισμός, η φύλλωση, η σχιστότητα, οι διακλάσεις, οι ρωγμές, τα ρήγματα. Παρακάτω παρουσιάζονται παραδείγμα από τέτοιες ασυνέχειες εκτός της φύλλωσης και της σχιστότητας. Η φύλλωση σχετίζεται με τον προσανατολισμό των ορυκτών σε παράλληλα επίπεδα ή πυκνό δίκτυο παράλληλων μικρορωγμών στα λεπτόκοκκα πετρώματα. Η σχιστότητα είναι η φύλλωση που απαντάται στα χονδρόκοκκα πετρώματα. 1.5.1 Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Στρώσεις Ένα επίπεδο στρώσης διαχωρίζει τις διαφορετικές φάσεις στρώσεων-γένεσης (έντονο στα ιζηματογενή πετρώματα, π.χ. ασβεστόλιθος). διαφορετικές στρώσεις ρήγμα Σχήμα 1.15: Στρώσεις ηφαιστειακών πετρωμάτων και ρήγματα στη Σαντορίνη Σχήμα 1.16: Ηφαιστειακές στήλες Βασάλτη (ηφαιστειακό) φαράγγι ποταμού Columbia Γ. Μπελόκας 9

Εισαγωγή Σχήμα 1.17: Ασβεστόλιθος (ιζηματογενές) στο Nahal Katzra της Ιορδανίας 1.5.2 Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Σχισμός Πυκνής διάταξης, διακεκριμένα, παράλληλα επίπεδα αποχωρισμού του πετρώματος (π.χ. Αθηναϊκός σχιστόλιθος). Σχήμα 1.18: Τεμάχιο Αθηναϊκού Σχιστόλιθου 1.5.3 Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Διακλάσεις, ρηγματώσεις Είναι επίπεδα θραύσης της βραχόμαζας κατά μήκος των οποίων δεν έχει σημειωθεί σχετική μετακίνηση. Στις βραχομάζες υπάρχει συχνά δυσκολία λήψης άρρηκτου δείγματος. Μάλιστα, όπως θα δούμε στα επόμενα κεφάλαια, η κατάσταση της βραχόμαζας επηρεάζει σημαντικά τη μηχανική συμπεριφορά τους. Γ. Μπελόκας 10

Εισαγωγή Σχήμα 1.19: Ασβεστόλιθος στο νομό Ηλείας (ναός του Επικούρειου Απόλλωνα) 1.5.4 Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Ρήγματα Είναι επίπεδα θραύσης της βραχόμαζας κατά μήκος των οποίων έχει σημειωθεί σχετική μετακίνηση. Ρήγμα Ρήγμα Δευτερογενή ρήγματα Ρήγμα Στρώση Ι Στρώση ΙΙ P (kn) Σχήμα 1.20: Mosaic Canyon California Γ. Μπελόκας 1.6 Η Βραχομάζα Γεωτεχνικά Δεδομένα Προκύπτουν από την γεωτεχνική έρευνα που περιλαμβάνει: α) επί τόπου δοκιμές σε γεωτρήσεις και σε δοκιμαστικά φρέατα και β) εργαστηριακές δοκιμές σε δείγματα από γεωτρήσεις και δοκιμαστικά φρέατα. Για τις μηχανικές ιδιότητες της βραχόμαζας συνεκτιμώνται και τα γεωλογικά δεδομένα. Από τις επί τόπου δοκιμές μπορούμε να εκτιμήσουμε: Επί τόπου τασικό πεδίο Μέτρο Παραμορφωσιμότητας (π.χ. μέτρο ελαστικότητας) Διατμητική Αντοχή (σε μαλακούς βράχους) Γ. Μπελόκας 11

Εισαγωγή Διαπερατότητα Οι επί τόπου δοκιμές δίνουν στοιχεία για την κατάσταση της βραχόμαζας: ωστόσο, είναι ευαίσθητες σε θέμα αντιπροσωπευτικού όγκου και μπορούν να δώσουν λανθασμένα στοιχεία. Από τις εργαστηριακές δοκιμές μπορούμε να εκτιμήσουμε: Πετρογραφικά χαρακτηριστικά Φυσικά χαρακτηριστικά (π.χ. πορώδες, βαθμός κορεσμού) Αντοχή (π.χ. c, φ) Παραμορφωσιμότητα (π.χ. μέτρο ελαστικότητας Ε) Ερπυστικές ιδιότητες Πρωτογενή διαπερατότητα (λόγω πορώδους-μικροασυνεχειών-πετρογραφικής σύστασης) Οι εργαστηριακές δοκιμές δίνουν στοιχεία κυρίως για την κατάσταση του άρρηκτου βράχου (δεν λαμβάνουν συχνά υπόψη ρηγματώσεις, διακλάσεις, στρωσιγένεια και άλλες «ατέλειες» του βράχου): οι μηχανικές ιδιότητες και η συνολική συμπεριφορά της βραχόμαζας προκύπτουν έμμεσα με εφαρμογή των συστημάτων ταξινόμησης βραχόμαζας. Οι μικρο-ασυνέχειες επηρεάζουν τη μηχανική συμπεριφορά του ακέραιου άρρηκτου βράχου: Συνήθως, τα βραχώδη υλικά έχουν εκλεκτικό προσανατολισμό των κόκκων ή των κρυστάλλων τους (σχιστότητα, φύλλωση κ.λπ.). Έτσι, τα πετρώματα είναι γενικά ανισότροπα. Ακόμα και οι μικρότερες δομικές μονάδες (κρύσταλλοι, κόκκοι), εμφανίζουν σε μικροσκοπική κλίμακα μικρορωγμές, σχισμό, κ.λπ. και συνεπώς τα υγιή πετρώματα είναι ασυνεχή μέσα. Ωστόσο, όσον αφορά τη μηχανική τους συμπεριφορά αντιμετωπίζονται ως συνεχή. 1.6.1 Επιρροή κλίμακας Σε έναν διακλασμένο βράχο όσο πιο μεγάλο είναι το δείγμα, τόσο περισσότερες είναι δομικές μακρο-ασυνέχειες οι οποίες επηρεάζουν τη μηχανική του συμπεριφορά. Επίσης, η κλίμακα του έργου ως προς τις ασυνέχειες επηρεάζει τη συνολική του συμπεριφορά. Σχήμα 1.21: Επιρροή κλίμακας Γ. Μπελόκας 12

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου 2 ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΑΡΡΗΚΤΟΥ ΒΡΑΧΟΥ 2.1 Εισαγωγή Οι βασικές μηχανικές ιδιότητες του άρρηκτου βράχου είναι: α) αντοχή, β) μέτρο ελαστικότητας, γ) λόγος Poisson και δ) πρωτογενής υδροπερατότητα. Οι συνήθεις δοκιμές για τη μηχανική αντοχή του άρρηκτου βράχου είναι η δοκιμή σημειακής φόρτισης και η δοκιμή μονοαξονικής θλίψης. Σε πολύ ειδικές περιπτώσεις (κυρίως για ερευνητικούς σκοπούς) γίνεται και η δοκιμή τριαξονικής θλίψης. 2.2 Δοκιμή σημειακής φόρτισης Δίνει ένα δείκτη αντοχής που συσχετίζεται με την αντοχή σε μονοαξονική θλίψη και συνεπώς προσφέρει μια έμμεση εκτίμηση της αντοχής. Σχήμα 2.1: Διάταξη δοκιμής σημειακής φόρτισης Έτσι, στη δοκιμή αυτή γίνεται προσδιορισμός του δείκτη σημειακής φόρτισης και, μέσω αυτού, έμμεση εκτίμηση της αντοχής σε μονοαξονική θλίψη. Εκτελείται συνήθως στο εργαστήριο, αλλά και επί τόπου. Είναι δοκιμή ταξινόμησης. Ωστόσο, χρησιμοποιείται συχνά διότι είναι δύσκολο η δειγματοληψία να δώσει πολλά ακέραια δείγματα για ανεμπόδιστη θλίψη. Η συσκευή καταγράφει τη δύναμη που ασκήθηκε κατά τη θραύση του δοκιμίου. 2 Υπολογίζεται ο δείκτης σημειακής φόρτισης, Ι s =P/ De [MPa] και στη συνέχεια ο ανηγμένος δείκτης σημειακής φόρτισης, I s50 =I s F, με το οποία ανάγεται το Is σε διάμετρο δοκιμίου 50mm, μέσω του συντελεστή διόρθωσης μεγέθους F=(D e /50) 2. Έτσι, τα αποτελέσματα μεταξύ διαφορετικών δοκιμών είναι συγκρίσιμα. Η δοκιμή είναι πιο αξιόπιστη για D>42mm. Για τον υπολογισμό της ισοδύναμης διαμέτρου D e εφαρμόζεται το παρακάτω σχήμα: Γ. Μπελόκας 13

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου Σχήμα 2.2: Εκτίμηση ισοδύναμης διαμέτρου (σχήμα από Κούκη Σαμπατακάκη) Βάσει του I S50 το ο άρρηκτος βράχος κατατάσσεται σύμφωνα με τον Πίνακα: Πίνακας 2.1: Κατάταξη άρρηκτου βράχου βάσει I s50 (από Κούκη Σαμπατακάκη) Η αντοχή σε μονοαξονική θλίψη: σ c =k I s50, όπου K=f(πετρώματος, διαμέτρου). Γενικά, μπορεί να λαμβάνεται k=22 (ISRM (1985)). Άσκηση 2.1: Να υπολογιστεί η αντοχή σε μονοαξονική θλίψη για τις περιτπώσεις: α) κυλινδρικό δοκίμιο διαμέτρου D=52mm και αντοχής σε σημειακή φόρτιση P=5.75kN και β) πρισματικό δοκίμιο ύψους D=56mm, πλάτους W=62mm και αντοχής σε σημειακή φόρτιση, P=7.34kN. Λύση: α) ισοδύναμη διάμετρος: D e =52mm, δείκτης σημειακής φόρτισης: I s =2.126MPa, συντελεστής διόρθωσης μεγέθους: F=1.018, ανηγμένος δείκτης σημειακής φόρτισης: I s50 =2.164MPa, αντοχή σε σημειακή θλίψη: σ c =47.62MPa β) D e =66.49mm, I s =1.660MPa, F=1.137, I s50 =1.888MPa, σ c =41.53MPa Γ. Μπελόκας 14

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου 2.3 Δοκιμή μονοαξονικής θλίψης Εφαρμόζεται ένα αξονικό φορτίο συνεχώς και βαθμιαία με σταθερή ταχύτητα φόρτισης. Καταγράφονται ζεύγη αξονικού φορτίου και αξονικής μετατόπισης τα οποία δίνουν το διάγραμμα αξονικής τάσης (σ c ) αξονικής παραμόρφωσης (ε a ) με εφαρμογή των σχέσεων: σ c =P/A, όπου P το αξονικό φορτίο (kn ή ΜΝ) και Α το εμβαδόν διατομής δοκιμίου (m 2 ). ε a =Δl/l o, όπου l o το αρχικό μήκος και Δl η μεταβολή του μήκους. Το υλικό όμως παραμορφώνεται και πλευρικά, με διαμετρική παραμόρφωση: ε d =Δd/d o, όπου d o η αρχική διάμετρος και Δd η μεταβολή της διαμέτρου. Η γνώση της αξονικής παραμόρφωσης επιτρέπει τον προσδιορισμό του λόγου Poisson v=ε a /ε r =ε a /ε d και τον πιο ακριβή υπολογισμό της τάσης αφού η διαμετρική παραμόρφωση επηρεάζει το εμβαδό Α. Η σχηματική διάταξη της δοκιμής αυτής φαίνεται παρακάτω: Δl l o Σχήμα 2.3: Δοκιμή μονοαξονικής θλίψης. Για ένα υλικό που ακολουθεί το κριτήριο αστοχίας Mohr Coulomb, η επιφάνεια αστοχίας αναπτύσσεται σε γωνία 45+φ/2. Από το διάγραμμα σ ε α παίρνουμε την αντοχή σε μονοαξονική θλίψη σ c και το μέτρο ελαστικότητας Ε. Η δοκιμή αυτή παρέχει άμεσο και ακριβή προσδιορισμό της αντοχής σε μονοαξονική θλίψη, σ c, και εφαρμόζεται σε δοκίμια ορθού κυλίνδρου με λόγο ύψους προς διάμετρο (L/D) από 2 έως 3 και D 54mm. Πρέπει D>10D κόκκου ορυκτών (π.χ. σε κροκαλοπαγές με D κόκκου =7cm, πρέπει D>70cm), ενώ θέλει προσοχή στη διαμόρφωση του δοκιμίου (π.χ. τα άκρα να είναι λεία και παράλληλα, η περιμετρική επιφάνεια να είναι λεία). Γ. Μπελόκας 15

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου Ο άρρηκτος βάχος μπορεί να ταξινομηθεί βάσει της σc (κατά ISRM 1981): Κατάταξη σ c (MPa) Επί τόπου εκτίμηση Εξαιρετικά >250 Δεν θραύεται με γεωλογικό σφυρί ισχυρό Πολύ 100 250 Θραύεται μετά από αρκετούς κτύπους με γεωλογικό σφυρί ισχυρό Ισχυρό 50 100 Θραύεται με περισσότερους από έναν κτύπους με γεωλογικό σφυρί Μετρίως ισχυρό 25 50 Δεν χαράσσεται με μαχαίρι και θραύεται με έναν κτύπο γεωλογικού σφυριού Ασθενές 5 25 Δύσκολα χαράσσεται με μαχαίρι Πολύ Ασθενές 1 5 Χαράσσεται εύκολα με το μαχαίρι δεν χαράσσεται το νύχι του αντίχειρα. Εξαιρετικά ασθενές 0.25 1 Χαράσσεται εύκολα με το νύχι του αντίχειρα ΔΟΚΙΜΗ ΜΟΝΟΑΞΟΝΙΚΗΣ ΘΛΙΨΗΣ UNIAXIAL COMPRESSION TEST Α/Α ΔΟΚΙΜΗΣ - TEST No 1 ΔΥΝΑΜΗ ΘΡΑΥΣΗΣ P (kg) 10100 FAILURE LOAD 2 ΥΨΟΣ H (cm) 16.38 HEIGHT 3 ΔΙΑΜΕΤΡΟΣ D (cm) 8.29 DIAMETER 4 ΛΟΓΟΣ H 1.98 RATIO D 5 ΑΝΤΟΧΗ (ΩΣ ΕΧΕΙ) σο (MPa ) 18.71 STRENGTH (INITIAL) 6 ΔΙΟΡΘΩΜΕΝΗ ΑΝΤΟΧΗ σc (MPa ) CORRECTED STRENGTH 18.68 σc = σ o * 0,889 D * 0,222 + 0,778 H 7 ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ε (%) 0.54 FAILURE STRAIN 8 ΜΕΤΡΟ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ Ε (MPa) YOUNG MODULUS 9 ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ POISSON μ POISSON RATIO 10 ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ ΚΑΤΑ MOHS MOHS HARDNESS 11 ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΒΑΡΟΣ γ (kn/m 3 ) 25.84 APP. WEIGHT 12 ΥΓΡΑΣΙΑ ΔΟΚΙΜΗΣ (%) MOISTURE OF TEST 13 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΦΟΡΤΗΣΕΩΣ (%min) 0.20 RATE OF SHEAR σ0 (MPa) 20.0 σ c 18.0 16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 E 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 ε (%) κλείσιμο μικρορωγμών ΠΕΤΡΟΓΡΑΦΙΚΗ ΕΞΕΤΑΣΗ LITHOLOGICAL DΕSCRIPTION Κροκαλοπαγές ανομοιόμορφο, με ποικίλα αδρομερή και ασβεστιτική συνδετική ύλη, ελαφρ αποσαθρωμένο, κυρίως περιμετρικά των μεγάλων αδρομερών. Σχήμα 2.4: Παράδειγμα από αποτέλεσμα δοκιμής σε μονοαξονική θλίψη. Άσκηση 2.2 Για το παραπάνω διάγραμμα δοκιμής σε μονοαξονική θλίψη δείγματος από άρρηκτο βράχο, να προσδιοριστούν η αντοχή σε μονοαξονική θλίψη, σ c, και το μέτρο ελαστικότητας, Ε. Λύση: Από το διάγραμμα προκύπτει σ c =18.8MPa Η κλίση του ευθύγραμμου τμήματος είναι: Ε=[(15.20 0.00)/1000]/[(0.36 0.045)/100]=4.8GPa Γ. Μπελόκας 16

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου 2.4 Δοκιμή τριαξονικής θλίψης Εφαρμόζεται σε κυλινδρικά δοκίμια και δίνει άμεσα τις παραμέτρους διατμητικής αντοχής c και φ του κριτηρίου αστοχίας Mohr Coulomb σε όρους ολικών τάσεων αφού δεν μετράται η πίεση πόρων. Έχει περιορισμένη χρήση στις συνήθεις εφαρμογές διότι είναι δοκιμή μεγάλου κόστους και διότι τα πετρώματα στο φυσικό τους περιβάλλον δεν είναι ακέραια. Αντίθετα, έχει επικρατήσει η εφαρμογή του κριτηρίου αστοχίας Hoek Brown το οποίο στηρίζεται στην περιγραφή της κατάστασης της βραχόμαζας, στην πετρογραφική σύσταση και στην εκτίμηση της αντοχής σε μονοαξονική θλίψη του ακέραιου πετρώματος. Όπως και στην αντίστοιχη δοκιμή εδαφομηχανικής, η ολόπλευρη πίεση, σ 3, παραμένει σταθερή σε όλη τη διάρκεια της δοκιμές και αυξάνεται η αξονική τάση σ 1 μέχρι την αστοχία. Επιφάνεια αστοχίας σ 1 45+φ/2 σ 3 σ 3 Η o H o /D o 2 σ 1 D o Σχήμα 2.5: Σχηματική διάταξη δοκιμής τριαξονικής θλίψης. 2.5 Κριτήριο αστοχίας Mohr Coulomb Δίνεται από τη σχέση: τ = c + σ n tanφ όπου: c η συνοχή και φ η γωνία διατμητικής αντοχής (οι σταθερές κριτηρίου αστοχίας είναι σταθερές του υλικού) τ η διατμητική τάση επί της επιφάνειας αστοχίας, σ n η ορθή τάση επί της επιφάνειας αστοχίας. Υπό τις συνθήκες της τριαξονικής θλίψης οι κύκλοι Mohr αστοχίας έχουν σύμφωνα με το Σχήμα 2.6. Συνεπώς, όρους κυρίων τάσεων σ 1 και σ 3 το κριτήριο αστοχίας μετασχηματίζεται ως εξής: sinφ=t/(c/tanφ+s), όπου t=(σ 1 σ 3 )/2 και s=(σ 1 +σ 3 )/2, οπότε: σ1 σ3 σ1 + σ = 3 sinϕ+ c cosϕ 2 2 Γ. Μπελόκας 17

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου : τ σ nα 45+φ/2 τ α Κλίση επιφάνειας αστοχίας φ Κύκλος Mohr τριαξονικής θλίψης R=t=(σ 1 σ 3 )/2 c θ α =45+φ/2 c/tanφ σ c σ 3 s=(σ 1 +σ 3 )/2 σ 1 Κύκλος Mohr μονοαξονικής θλίψης Σχήμα 2.6: Κύκλοι Mohr και κριτήριο αστοχίας Mohr Coulomb. σ n Επίσης, προκύπτει: σ 1α =σ 3 (1+sinφ)/(1-sinφ)+2ccosφ/(1-inφ)=σ 3 tan 2 (45+φ/2)+2ctan(45+φ/2) Στην δοκιμή τριαξονικής θλίψης αυξάνεται το σ 1 και το σ 3 μένει σταθερό, οπότε ο κύκλος Mohr εξελίσσεται ως εξής: τ Μη πραγματοποιήσιμος φ κύκλος Mohr Κύκλος Mohr τριαξονικής θλίψης στην αστοχία R=t=(σ 1α σ 3ο )/2 c σ 3ο σ 1ο σ 1α Αρχικός κύκλος Mohr c/tanφ s=(σ 1α +σ 3ο )/2 Σχήμα 2.7: Κύκλοι Mohr στη δοκιμή τριαξονικής θλίψης μέχρι την αστοχία. σ n Άσκηση 2.3 Δίνονται οι σταθερές του κριτηρίου αστοχίας Mohr Coulomb, συνοχή c=100kpa και γωνία διατμητικής αντοχής φ=40 ο. Να υπολογιστεί: α) εάν το ζεύγος κυρίων τάσεων σ 1 =500kPa και σ 3 =100kPa αστοχεί, β) τη η σ 1α που δίνει αστοχία εάν είναι σ 3 =100kPa. Λύση: α) Υπολογίζουμε την κινητοποιούμενη γωνία διατμητικής αντίστασης φ mob από τη σχέση: sinφ mob =t/(c/tanφ+s), όπου είναι t=(500 100)/2=200kPa και s=(500+100)/2=300kpa. Έτσι, προκύπτει φ mob =28.5 o <φ και συνεπώς δεν αστοχεί. Να σχεδιάσετε στο παραπάνω σχήμα τι αντιπροσωπεύει η φ mob. β) Με εφαρμογή της ανάλογης σχέσης προκύπτει: σ 1α =888.8kPa. Γ. Μπελόκας 18

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου 2.6 Κριτήριο αστοχίας άρρηκτου βράχου Στους βράχους το κριτήριο αστοχίας δεν είναι γραμμικό, όπως το Mohr Coulomb. Αυτό οδηγεί σε παραμέτρους αστοχίας c και φ, οι οποίες εξαρτώνται από το επίπεδο της τάσης. φ 2 φ 1 c 2 c 1 Σχήμα 2.8: Κριτήριο αστοχίας Hoek Brown (1980a) για άρρηκτο βράχο. Για τους βράχους έχει βρεθεί πως το μη γραμμικό κριτήριο αστοχίας των Hoek Brown (1980a) είναι πιο ακριβές: σ 1 =σ 3 +σ ci [m i (σ 3 /σ ci )+1] 0.5 όπου, σ ci η αντοχή σε μονοαξονική θλίψη άρρηκτου βράχου, σ 1 και σ 3 η μέγιστη και ελάχιστη κύρια τάση, και m i σταθερά του άρρηκτου βράχου. Το κριτήριο αυτό έχει προκύψει από πειραματικά δεδομένα σε πολλά διαφορετικά βραχώδη υλικά τα οποία παρουσιάζονται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 2.9: Κριτήριο αστοχίας Hoek Brown (1980a) για άρρηκτο βράχο. Η σταθερά m i δίνεται από το παρακάτω σχήμα (οι τιμές στην παρένθεση αποτελούν εκτίμηση) ανάλογα με τον τύπο του υλικού. Αφορούν άρρηκτο βράχο υπό θλίψη κάθετα στη Γ. Μπελόκας 19

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου στρωσιγένεια. Εάν η αστοχία συμβαίνει κατά μήκος ενός επιπέδου αδυναμίας, η τιμή του m i θα είναι σημαντικά μικρότερη. Πίνακας 2.2: Τιμές της σταθεράς m i στο κριτήριο αστοχίας Hoek Brown. ΙΖΗΜΑΤΟΓΕΝΗ Κλαστικά Μη- Κλαστικά Οργανικά Κροκαλοπαγή Ψαμμίτης Ιλυόλιθος Κιμωλία Λιγνίτης Ασβεστόλιθος Γύψος Ανυδρίτης ΜΕΤΑΜΟΡ- ΦΩΜΕΝΑ Μάρμαρο Γνεύσιος Αμφιβολίτης Σχιστόλιθος Ασβεστίτης Μυλονίτης Φυλλίτης Γρανίτης ΠΥΡΙΓΕΝΗ Διορίτης Γάββρος Βασάλτης Τόφφος Γ. Μπελόκας 20

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΑΣΥΝΕΧΕΙΩΝ ΒΡΑΧΟΥ 3.1 Εισαγωγή Οι ασυνέχειες επηρεάζουν σημαντικά τη συμπεριφορά του τεχνικού έργου και πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στο σχεδιασμό του. Όπως έχουμε ήδη αναφέρει οι ασυνέχειες αποτελούν επίπεδα αδυναμίας της βραχόμαζας που διαχωρίζει τα τεμάχια του ακέραιου πετρώματος: Κάθετα σε αυτές η εφελκυστική αντοχή είναι από πολύ μικρή έως μηδενική Παράλληλα σε αυτές εμφανίζεται η ελάχιστη διατμητική αντοχή Διακρίνουμε δύο βασικές ομάδες ασυνεχειών: Αυτές που εμφανίζονται συστηματικά σε όλη τη βραχόμαζα και αποτελούν τα συστήματα ασυνεχειών. Έχουν παρόμοιο προσανατολισμό και οφείλονται σε συγκεκριμένες γεωλογικές διεργασίες. Τις μοναδιαίες ασυνέχειες, που δεν εμφανίζονται συστηματικά τουλάχιστον στην κλίμακα του τεχνικού έργου (π.χ. ρήγματα) 3.2 Προσανατολισμός ασυνεχειών Είναι η διεύθυνση κλίση των διακλάσεων, στρώσης σχιστότητας και συνήθως μετράται στο ύπαιθρο από τις επιφανειακές εμφανίσεις του βράχου. Μάλιστα, ενδιαφέρει ο προσανατολισμός ως προς το έργο. Δυσμενής προσανατολισμός: επιδρά αρνητικά στην ευστάθεια του έργου φορά κίνησης Ευμενής προσανατολισμός: δεν επιδρά αρνητικά στην ευστάθεια του έργου Δεν μπορεί να ολισθήσει κατά μήκος της ασυνέχειας ασυνέχεια ασυνέχεια 3.3 Απόσταση ασυνεχειών Σχήμα 3.1: Επιρροή προσανατολισμού ασυνεχειών. Είναι η απόσταση μεταξύ των ασυνεχειών (ελέγχει το μέγεθος των τεμάχων στα οποία αποχωρίζεται η βραχόμαζα) και μετράται κυρίως από τις επιφανειακές εμφανίσεις του βράχου και τα «καρότα» της δειγματοληψίας (π.χ. δείκτης RQD). Η απόσταση των ασυνεχειών επηρεάζει το μηχανισμό αστοχίας και τη διαπερατότητα της βραχομάζας: Γ. Μπελόκας 21

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου Πολλές ασυνέχειες ασθενής βράχος: συνεχές μέσο Λίγες ασυνέχειες ισχυρός βράχος: ασυνεχές μέσο Μικρή απόσταση Πυκνό δίκτυο ασυνεχειών Μεγάλη απόσταση Αραιό δίκτυο ασυνεχειών Σχήμα 3.2: Απόσταση ασυνεχειών (σχήμα από Hudson & Harisson) Ο Δείκτης Κερματισμού Βραχόμαζας (Rock Quality Designation RQD) χρησιμοποιείται ευρέως στην κατάταξη της βραχομάζας. Είναι το ποσοστό μιας γραμμής δείγματος που έχει τεμάχια ακέραιου βράχου μήκους μεγαλύτερο ή ίσο των 10cm. RQD(%)=100Σ(x i /L) όπου xi τα μήκη δειγμάτων ακέραιου βράχου μήκος 10cm. Σχήμα 3.3: Ορισμός αποστάσεων στην τιμή του RQD. Άσκηση 3.1 (από Κούκη Σαμπατακάκη): Σχήμα 3.4: Τεμάχια βράχου σε δειγματοληπτική γεώτρηση (από Κούκη Σαμπατακάκη) RQD=(45+55+42.5)/200=71.2% Ο Δείκτης Κερματισμού Βραχόμαζας (RQD) δίνει μια ποσοτικοποίηση του βαθμού κερματισμού της βραχόμαζας βασισμένος σε στοιχεία από γεωτρήσεις. Η τιμή του επηρεάζεται σημαντικά από: Τον προσανατολισμό της γεώτρησης σε σχέση με τη διεύθυνση των ασυνεχειών (γεώτρηση κάθετη στις ασυνέχειες δίνει το μικρότερο RQD) Από την ποιότητα της δειγματοληψίας (π.χ. εάν η δειγματοληψία έχει οδηγήσει σε αποκόληση κατά μήκος των επιπέδων στρωσιγένειας) Το εάν υπάρχουν τεμάχια λίγο πάνω ή λίγο κάτω από τα 10cm. Γ. Μπελόκας 22

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου Σύμφωνα με τους Deere & Deere (1988) η βραχομάζα κατατάσσεται βάσει του RQD ως εξής: Πίνακας 3.1: Κατάταξη βραχομάζας βάσει RQD RQD (%) Περιγραφή Ποιότητας Βράχου 0 25 Πολύ πτωχή 25 50 Πτωχή 50 75 Μέτρια 75 90 Καλή 90 100 Εξαίρετη Επίσης, ενδιαφέρει η συχνότητα των ασυνεχειών: Σχήμα 3.5: Ταξινόμηση της απόσταση ασυνεχειών κατά I.S.R.M. (1981) (από Κούκη Σαμπατακάκη) Ο βαθμός κερματισμού δεν είναι σταθερός κατά μήκος της στρωματογραφίας: Mανδύας αποσάθρωσης (0.00m 2.30m) Ψαμμίτης (2.30m 17.00m) RQD=100% RQD 70% Διαιρετή δειγματοληψία RQD=0% Σχήμα 3.6: Παράδειγμα δειγματοληψίας σε ψαμμίτη. Γ. Μπελόκας 23

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου 3.4 Εξάπλωση Συνέχεια ασυνεχειών Καθορίζει κατά πόσο μια ασυνέχεια τέμνει σε όλη της την έκταση τη βραχόμαζα και μετράται επί τόπου. Για παράδειγμα: Μεγάλη συνέχεια, πυκνό δίκτυο Μεγάλη συνέχεια, αραιό δίκτυο Σχήμα 3.7: Εξάπλωση ασυνεχειών σε όρυγμα (σχήμα από Hudson & Harisson) Ενδεικτικές μορφές συνέχειας κατά ISRM (σχήμα από Κούκη Σαμπατακάκη): Η συνέχεια μειώνεται από το α) προς το δ) Σχήμα 3.8: Ενδεικτικές μορφές ασυνέχειας κατά κατά I.S.R.M. (1981) (από Κούκη Σαμπατακάκη) Οι γεωτρήσεις δεν μπορούν να δώσουν εικόνα της εξάπλωσης και της συνέχειας. Παρακάτω βλέπουμε παραδείγματα σε φυσικά ή διαμορφωμένα πρανή: Πολύ μικρή συνέχεια διαλάσεων, Πολύ υψηλή συνέχεια στρωσιγένειας: μεγάλη συνέχεια στρωσιγένειας: Ηφαιστειακές στήλες Βασάλτη (ηφαιστειακό) φαράγγι ποταμού Columbia Ασβεστόλιθος στο νομό Ηλείας (ναός του Επικούρειου Απόλλωνα) Σχήμα 3.9: Παραδείγματα συνέχειας στρωσιγένειας και διακλάσεων. Γ. Μπελόκας 24

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου 3.5 Αντοχή τοιχωμάτων ασυνεχειών: Η αντοχή των τοιχωμάτων των ασυνεχειών (αντοχή σε διεύθυνση κάθετα των ασυνεχειών) είναι συνήθως μικρότερη αυτής του ακέραιου πετρώματος. Αυτό οφείλεται στην αποσάθρωση του υγιούς πετρώματος και τη δημιουργία ασθενέστερου υλικού πλήρωσης των ρωγμών. Η αντοχή αυτή προσδιορίζεται: α) προσεγγιστικά με τη χρήση μαχαιριδίου και γεωλογικού σφυριού και β) έμμεσα με τη χρήση σφυριού Schmidt. 3.6 Τραχύτητα ασυνεχειών: Σφυρί Schmidt Σχήμα 3.10: Σφυρί Schmidt (σχήμα από Κούκη Σαμπατακάκη) Όταν η επιφάνεια είναι τραχεία η διατμητική φόρτιση επί της ασυνέχειας πρέπει να υπερνικήσει και τις ανωμαλίες της επιφάνειας αυτής. Η τραχύτητα περιγράφει την απόκλιση της μορφής επιφάνειας της ασυνέχειας από την επίπεδη ασυνέχεια και επηρεάζει τη διατμητική αντοχή επί της ασυνέχειας. Η επίδραση της τραχύτητας στην αντοχή περιγράφεται μαθηματικά με τη χρήση της γωνίας i στο κριτήριο αστοχίας του Patton (που αποτελεί μια τροποποίηση του Mohr Coulomb και αφορά επιφάνειες χωρίς συγκόλληση): τ = c + σ n tan(φ b +i) Σχήμα 3.11: Σχηματική περιγραφή του κριτηρίου αστοχίας Patton (σχήμα από Κούκη Σαμπατακάκη). Γ. Μπελόκας 25

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου Στο κριτήριο του Patton φ b είναι η γωνία τριβής της λείας επίπεδης επιφάνειας και i η συνιστώσα τραχύτητας στη γωνία τριβής. Οι μηχανισμοί αστοχίας έχουν ως εξής: Επίπεδη ασυνέχεια ή τραχεία επιφάνεια: φ=φ b =φ r, i=0 Τ Ν Τραχεία επιφάνεια και μικρό Ν: φ=φ b +i, φ b =φ r, i 0 Τ Ν Τραχεία επιφάνεια και μεγάλο Ν: φ=φ b =φ r, i πολύ μικρό Τ Ν Όσο αυξάνει το άνοιγμα των ασυνεχειών τόσο μειώνεται το i. Όσα έχουν αναφερθεί ισχύουν για πλήρη επαφή των δύο επιφανειών της ασυνέχειας. Επίσης, το κριτήριο Patton δεν λαμβάνει άμεσα την επίδραση της ορθής τάσης στη θραύση των προεξοχών. Οι Barton et al δίνουν την ακόλουθη εμπειρική σχέση: τ=σ n tan[φ b +JRClog 10 (JCS/σ n )] = σ n tan(φ b +i) όπου: φ b εκτιμάται πειραματικά (επί τόπου ή εργαστηριακά σε τεχνητή ασυνέχεια), JCS η αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη των τοιχωμάτων της ασυνέχειας και εκτιμάται πειραματικά (π.χ. δοκιμή Schmidt) και JRC ο συντελεστής τραχύτητας ασυνεχειών Σημείωση: όταν η επιφάνεια είναι επίπεδη τότε i=0 και συνεπώς είναι τ=σ n tanφ b Για την εκτίμηση του JCR χρησιμοποιούνται τα τυπικά προφίλ τραχύτητας και η γωνία τραχύτητας μπορεί να προεκτιμηθεί σύμφωνα με τη σχέση: i=jrclog 10 (JCS/σ n )] Γ. Μπελόκας 26

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου Ωστόσο, ο προσδιορισμός της τραχύτητας μέσω της εργαστηριακής δοκιμής διάτμησης σε ασυνέχεια, εφόσον είναι δυνατόν, είναι προτιμότερος. Σχήμα 3.12: Προφίλ τραχύτητας κατά Barton et al. Άσκηση 3.2: (από Κούκη Σαμπατακάκη) Σε δοκιμής απευθείας διάτμησης κατά μήκος ασυνέχειας δίνεται: ορθή τάση στην ασυνέχεια, σ n =20kPa και συνοχή ασυνέχειας, c=0kpa. Από τη δοκιμή αυτή προέκυψε το παρακάτω διάγραμμα: τ p =13kPa τ r =10.6kPa Λύση: Μέγιστη γωνία τριβής φ p : c=0kpa, τ p =13kPa, σ n =20kPa, τ p =c+σ n tanφ p φ p =Atan[(13+0)/20] φ p =33 o. Γ. Μπελόκας 27

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου Παραμένουσα γωνία τριβής φ r : τ r =10.6kPa, σ n =20kPa, τ r =σ n tanφ r φ r =Atan[10.6/20] φ p =27.9 o. Συνιστώσα τραχύτητας i: φ p =φ r +i φ r =33-27.9=5.1 o. Άσκηση 3.3: Εκτίμηση του συντελεστή τραχύτητας ασυνεχειών i: Δίνεται το παρακάτω προφίλ τραχύτητας: 0 10 cm Επίσης είναι: α) Παραμένουσα γωνία τριβής φ r =30 o β) Αντοχή τοιχωμάτων JCS=σ c =20MPa (δηλαδή δεν έχουν υλικό πλήρωσης οι ασυνέχειες) Να βρεθεί ο συντελεστής τραχύτητας για: α) σ n =20, 200, 2000kPa και β) JRC=7. JRC=15 i = JRClog 10 (JCS/σ n )=15log 10 (20000/σ n ) σ n =20kPa i = 15log 10 (20000/σ n ) = 51 o σ n =200kPa i = 15log 10 (20000/σ n ) = 34 o σ n =2000kPa i = 15log 10 (20000/σ n ) = 15 o Οπότε: σ n i 0 10 cm 0 10 cm Εάν JRC=7 i =7log 10 (20000/σ n ) σ n =20kPa i = 21 o σ n =2000kPa i = 7 o Οπότε: JRC i 3.7 Άνοιγμα ασυνεχειών Είναι η κάθετη απόσταση μεταξύ των τοιχωμάτων μιας ασυνέχειας (μπορεί να είναι κλειστή, ανοικτή ή επουλωμένη με υλικά πλήρωσης όπως άργιλο, ιλύ, χλωρίτη, ασβεστίτη, λατυποπαγές κ.λπ.). Το άνοιγμα ταξινομείται ημιποσοτικά. Επίσης, το υλικό πλήρωσης πρέπει να αναφέρεται διότι έχει καθοριστικό ρόλο στη συμπεριφορά (διότι συνήθως είναι πιο μαλακό από τον ακέραιο βράχο. Δηλαδή, πρέπει να κλείσει το άνοιγμα για να αναπτύξει πλήρη αντοχή, ενώ η διάτμηση ελέγχεται από το υλικό πλήρωσης εάν έχει μεγάλο πάχος. Κατά ISRM η ταξινόμηση κατάταξη ανοίγματος γίνεται ως εξής: Σχήμα 3.13: Ταξινόμηση ανοίγματος ασυνεχειών κατά I.S.R.M. (1981) (Κούκη Σαμπατακάκη) Γ. Μπελόκας 28

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου 3.8 Υλικό πλήρωσης ασυνεχειών Είναι το υλικό που βρίσκεται μεταξύ των τοιχωμάτων μιας ασυνέχειας και μπορεί να είναι αργιλικό, ασβεστιτικό, ιλυώδες, αμμώδες κ.λπ. Η ύπαρξη, το είδος και το πάχος του υλικού πλήρωσης καθορίζουν στην ασυνέχεια: Τη διατμητική αντοχή Την παραμορφωσιμότητα Τη διαπερατότητα f τ a τ Σχήμα 3.14: Επίδραση υλικού πλήρωσης ασυνεχειών (σχήμα από Κούκη Σαμπατακάκη) 3.9 Διαπερατότητα ασυνεχειών Ανάλογα με το άνοιγμα των ασυνεχειών και την ύπαρξη ή μη υλικού πλήρωσης επηρεάζεται και η διαπερατότητα. Το υπόγειο νερό στις ασυνέχειες μπορεί να προκαλέσει: Μεταβολή στην ενεργό αντοχή της βραχόμαζας Διαβρωτικές δράσεις ποιοτική αλλοίωση της βραχόμαζας Συχνά, χρησιμοποιούνται ποιοτικές μέθοδοι περιγραφής. Π.χ. σε υπόγειες εκσκαφές εφαρμόζεται η εξής κατηγοριοποίηση: Πίνακας 3.2: Κατηγορίες διαπερατότητας (Πίνακας από Κούκη Σαμπατακάκη) 3.10 Δοκιμή διάτμησης σε ασυνέχεια Γίνεται σε φυσική ή τεχνητή ασυνέχεια και στόχος είναι ο προσδιορισμός της μέγιστης και παραμένουσας διατμητικής αντοχής των ασυνεχειών του πετρώματος. Η δοκιμή εκτελείται Γ. Μπελόκας 29

Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου όταν ο κρίσιμος μηχανισμός αστοχίας αφορά την ενεργοποίηση ασυνεχειών (π.χ. δημιουργία σφηνών σε πρανή και σήραγγες). Επειδή η τραχύτητα του δοκιμίου λόγω κλίμακας δεν αντιπροσωπεύει την επί τόπου τραχύτητα, είναι προτιμότερο η δοκιμή αυτή να χρησιμοποιείται μόνο στον προσδιορισμό της βασικής τριβής. ΔΟΚΙΜΗ ΔΙΑΤΜΗΣΕΩΣ ΣΕ ΑΣΥΝΕΧΕΙΑ ΠΕΤΡΩΜΑΤΟΣ SHEAR TEST OF ROCK SPECIMENS ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΟΡΘΩΝ - ΔΙΑΤΜΗΤΙΚΩΝ ΤΑΣΕΩΝ / NORMAL - SHEAR STRESS DIAGRAM 2.00 1.80 φ (0) = 30.96 c = 373.75 kpa 1.60 1.40 1.20 T (MPa) 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 σ (MPa) 0,773MPa 1,55MPa 2,32MPa 2.00 1.80 1.60 ΔΙΑΤΜΗΤΙΚΗ ΤΑΣΗ SHEAR STRESS T (MPa) 1.40 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ ΜΕΤΑΤΟΠΙΣΗ ---- HORIZONTAL DISPLACEMENT mm Η δοκιμή πραγματοποιήθηκε σε τεχνητή ασυνέχεια ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ - RESULTS ΤΥΠΟΣ ΔΟΚΙΜΗΣ TYPE OF TEST : ΑΣΥΝΕΧΕΙΑ Α/Α ΔΟΚΙΜΗΣ No. OF TESTS I II III ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ SYMBOLISM * 6 ΑΞΟΝΙΚΗ ΤΑΣΗ AXIAL STRESS σ (MPa) 0.77 1.55 2.32 7 ΜΕΓΙΣΤΗ ΔΙΑΤΜΗΤΙΚΗ ΤΑΣΗ MAX. SHEAR STRESS τ (MPa) 0.85 1.28 1.78 8 ΑΝΤ/ΧΗ ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ ΜΕΤΑΤΟΠΙΣΗ CORRESP. HORIZ. DISPL. mm 9.00 9.00 10.00 Πετρογραφική περιγραφή Ψαμμίτης τεφρός συμπαγής με ασβεστιτικές φλέβες BΑΘΟΣ ΕΡΓ. ΑΡΙΘ. 57,00-57,30 DEPTH LAB. No. ΓΕΩΤΡΗΣH B 8 BOREHOLE ΣΧ. ΕΡΓΟΝ FIG. PROJECT Σχήμα 3.15: Παράδειγμα εργαστηριακού φύλλου αποτελεσμάτων σε δοκιμή σε τεχνητή ασυνέχεια. Γ. Μπελόκας 30

Μηχανική Συμπεριφορά Βραχομάζας 4 ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΒΡΑΧΟΜΑΖΑΣ 4.1 Γενικά Η μηχανική συμπεριφορά της βραχόμαζας εξαρτάται από: α) το είδος του πετρώματος (περιγράφεται από την αντοχή σε μονοαξονική θλίψη), β) την έκταση, πυκνότητα, διεύθυνση προσανατολισμό και κατάσταση των ασυνεχειών, γ) το βαθμό αποσάθρωσης και δ) την παρουσία νερού Τα α) + β) + γ) + δ) οδηγούν στην Ταξινόμηση Βραχόμαζας βάσει της οποίας μπορούν να εφαρμοστούν ημιεμπειρικές μέθοδοι σχεδιασμού σηράγγων ή να προκύψουν οι μηχανικές ιδιότητες της βραχομάζας. Η British Geological Society (1970) προτείνει τους ακόλουθους βαθμούς αποσάθρωσης: Πίνακας 4.1: Βαθμοί αποσάθρωσης κατά BGS (1970) (Πίνακας από Καββαδά) Στη βραχόμαζα είναι αδύνατη η λήψη ενός δείγματος αντιπροσωπευτικού όγκου, ώστε αυτό να δοκιμαστεί στο εργαστήριο. Έτσι, για την εκτίμηση των μηχανικών ιδιοτήτων της βραχόμαζας γίνεται εφαρμογή των συστημάτων ταξινόμησης βραχόμαζας, τα οποία έχουν προκύψει από παρατηρήσεις, εμπειρία και κρίση μηχανικού. Από την ταξινόμηση της βραχόμαζας σε κατηγορίες βραχόμαζας μπορούν επίσης να προκύψουν τα μέτρα υποστήριξης της σήραγγας. Κατά μήκος μιας σήραγγας εμφανίζονται γενικά παραπάνω από μία κατηγορίες βραχόμαζας (τυπικά χωρίζονται σε 3 έως 5). Κατά τη μελέτη προτείνονται για κάθε κατηγορία βραχόμαζας μέτρα υποστήριξης (τυπικές διατομές), λαμβάνοντας υπόψη την κατάσταση της βραχόμαζας. Επίσης, στη μελέτη έχει γίνει προεκτίμηση των ποσοστών εμφάνισης κάθε κατηγορίας κατά μήκος. Κατά την κατασκευή καταγράφεται επί τόπου η κατηγορία της βραχόμαζας, οπότε εφαρμόζονται τα ανάλογα μέτρα υποστήριξης σύμφωνα με τη μελέτη. Τα βασικά συστήματα ταξινόμησης στα οποία βασίζεται η κατηγοριοποίηση της βραχόμαζας είναι τα: α) RMR, β) Q (NGI) και γ) GSI 4.2 Σύστημα ταξινόμησης RMR Το σύστημα αυτό προτάθηκε από τον Bieniawski και δίνει την τιμή δείκτη RMR ως το άθροισμα των βαθμών από τους εξής 6 επιμέρους δείκτες: Γ. Μπελόκας 31

Μηχανική Συμπεριφορά Βραχομάζας α) Αντοχή σε μονοαξονική θλίψη, β) RQD, γ) Απόσταση ασυνεχειών, δ) Κατάσταση αυνεχειών, ε) Υπόγεια ύδατα και στ) Προσανατολισμός ασυνεχειών ως προς το έργο Η εφαρμογή του είναι περιορισμένη σε πτωχής ποιότητας βραχόμαζας (RMR<50) διότι δίνει μικρά φορτία. Δίνει πέντε δυνατές κατηγορίες βραχόμαζας Ι έως V, για τις οποίες προτείνονται γενικά μέτρα υποστήριξης και μέθοδος κατασκευής. 1. Aντοχή άρρηκτου βράχου (δείκτης R1) Σημειακή φόρτιση I s50 (MPa) >10 4-10 2-4 1-2 (για Ι s50 >1MPa εφαρμόζεται το σ c ) Μονοαξονική θλίψη σ c (MPa) >250 100-250 50-100 25-50 5-25 1-5 <1 Βαθμός 15 12 7 4 2 1 0 2. Δείκτης κερματισμού βραχόμαζας (δείκτης R2) RQD 90-100% 75-90% 50-75% Βαθμός 20 17 13 25-50% 8 <25% 3 3. Αποστάσεις ασυνεχειών (δείκτης R3) >2m 0.6-2m 200-600mm 60-200mm <60mm Βαθμός 20 15 10 8 5 4. Κατάσταση ασυνεχειών (δείκτης R4) Πολύ τραχείες επιφάνειες. Ασυνεχείς. Όχι διαχωρισμός. Υγιή τοιχώματα Ελαφρά τραχείες επιφάνειες. Διαχωρισμός<1m m. Ελαφρώς αποσαθρωμένα τοιχώματα Ελαφρά τραχείες επιφάνειες. Διαχωρισμός<1m m. Πολύ αποσαθρωμένα τοιχώματα Λείες γυαλιστερές επιφάνειες ή υλικό πλήρωσης <5mm. Διαχωρισμός 1-5mm. Συνεχείς. Yλικό πλήρωσης >5mm. Διαχωρισμός >5mm. Συνεχείς. Βαθμός 20 15 10 8 5 5. Υπόγεια ύδατα (δείκτης R5) Εισροή νερού ανά 10m μήκος σήραγγας Καμία <10Lt/min 10-25Lt/min 25-125Lt/min >125Lt/min Γενικές συνθήκες Ξηρό Παρουσία υγρασίας Υγρό Στάγδην Με ροή Βαθμός 15 10 7 4 0 6. Προσανατολισμός ασυνεχειών (δείκτης R6) Πολύ ευμενής Ευμενής Αδιάφορος Βαθμός 0-2 -5 Δυσμενής -10 Πολύ δυσμενής -12 Κατηγορία βραχόμαζας βάσει RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6: RMR 100-81 80-61 60-41 Κατηγορία Ι ΙΙ ΙΙΙ Περιγραφή βραχόμαζας Πολύ καλή Καλή Μέτρια 41-21 IV Πτωχή <20 V Πολύ πτωχή Γ. Μπελόκας 32

Μηχανική Συμπεριφορά Βραχομάζας Ο Bieniawski (1989) πρότεινε για σήραγγα πεταλοειδούς διατομής και 10m ανοίγματος πρότεινε τα εξής προσωρινά μέτρα υποστήριξης: Πίνακας 4.2: Προσωρινά μέτρα υποστήριξης βάσει RMR σε σήραγγα πεταλοειδούς διατομής (Bieniawski, 1989) Επίσης, έχει προταθεί η ακόλουθη μέγιστη επιτρεπόμενη διάρκεια ανυποστήρικτης σήραγγας: Σχήμα 4.1: Μέγιστη επιτρεπόμενη διάρκεια ανυποστήρικτης σήραγγας βάσει RMR. Πλεονέκτημα της μεθόδου: Είναι απλή και λαμβάνει υπόψη την κατάσταση της βραχόμαζας. Γ. Μπελόκας 33

Μηχανική Συμπεριφορά Βραχομάζας Μειονέκτημα της μεθόδου: Έμμεσος σχεδιασμός έργου είναι επισφαλής η εφαρμογή των πινάκων σχεδιασμού σε συνθήκες έργων διαφορετικές από αυτές που αναφέρονται (π.χ. Bieniawski για σχετικά καλή βραχόμαζα και πεταλοειδή διατομή). Άσκηση 4.1: Σε μια υπό κατασκευή σήραγγα η γεωλογική γεωτεχνική έρευνα έδωσαν τα εξής αποτελέσματα: α) I s 50=8MPa R 1 =12 β) RQD=70% R 2 =13 γ) Οι ασυνέχειες είναι ελαφρώς τραχείες και ελαφρώς αποσαθρωμένες με διαχωρισμό <1mm R 4 =15 δ) οι αποστάσεις μεταξύ των ασυνεχειών είναι 300mm R 3 =10 ε) η σήραγγα θα διανοιχτεί σε υγρό περιβάλλον R 5 =7 στ) οι ασυνέχειες έχουν δυσμενή προσανατολισμό ως προς το έργο R 6 =-10 Άρα: RMR=12+13+10+15+7-10 =47 Το RMR υπολογίζεται σε κάθε βραχώδη σχηματισμό που εμφανίζεται κατά μήκος της σήραγγας: Εύρος Γ5 Γ6 Γέφυρα Σήραγγα δειγματοληψίας Γ4 Γ7 Επίχωμα Γ1 Γ2 Γ3 Γ8 Κορήματα αλλουβιακές αποθέσεις Κοίτη ποταμού Γ. Μπελόκας Κερατόλιθος (500m) Ψαμμίτης (1000m) Ιλυόλιθος (650m) Ασβεστόλιθος (100m) Από τα γεωλογικά και γεωτεχνικά δεδομένα θα προκύψουν τα εκτιμώμενα ποσοστά εμφάνισης κάθε κατηγορίας βραχόμαζας κατά μήκος της σήραγγας. Για παράδειγμα, στην παραπάνω μηκοτομή έχει γίνει η εξής κατηγοριοποίηση: Μήκος (m) Χ.Θ. Τύπος στρώσης Κατηγορία βραχόμαζας 500 0 0.500 Κερατόλιθος 100% RMR=30 45 1000 0.500 1.000 Ψαμμίτης 50% RMR =35 50 30% RMR =20 35 50% RMR =10 20 650 1.000 1.650 Ιλυόλιθος 70% RMR = 25 35 30% RMR =10 25 50 1.650 1.700 Ασβεστόλιθος 100% RMR= 20-35 4.3 Σύστημα ταξινόμησης Q Το σύστημα αυτό προτάθηκε από τους Barton et al (1974) και δίνει την τιμή δείκτη Q ως εξής: Γ. Μπελόκας 34

Μηχανική Συμπεριφορά Βραχομάζας Q=(RQD/J n )(J r /J a )(J w /SRF) RQD: Rock Quality Designation (για RQD<10% λαμβάνεται RQD=10%) J n : δείκτης αριθμού των συστημάτων των ασυνεχειών. Σε περιοχές διασταύρωσης σηράγγων λαμβάνεται 3J n, ενώ σε στόμια σηράγγων λαμβάνεται 2J n. Ο δείκτης αυτός είναι: Συστήματα ασυνεχειών Συμπαγές πέτρωμα ή λίγες ασυνέχειες Ένα σύστημα Ένα σύστημα και τυχαίες ασυνέχειες Δύο συστήματα Δύο συστήματα και τυχαίες ασυνέχειες Τρία συστήματα ασυνεχειών Τρία συστήματα και τυχαίες ασυνέχειες Τέσσερα ή περισσότερα συστήματα Θρυμματισμένο πέτρωμα J r : βαθμός τραχύτητας επιφανειών ασυνεχειών J n 0.5 1.0 2 3 4 6 9 12 15 20 Γ. Μπελόκας 35

Μηχανική Συμπεριφορά Βραχομάζας J a : βαθμός εξαλλοίωσης των επιφανειών των ασυνεχειών J w : συντελεστής επιρροής του υπόγειου νερού SRF: συντελεστής απομείωσης λόγω υψηλών τάσεων Γ. Μπελόκας 36

Μηχανική Συμπεριφορά Βραχομάζας Ο συντελεστής (RQD/J n ) περιγράφει τη δομή της βραχόμαζας και ο (J r /J a ) την τραχύτητα και την τριβή των τοιχωμάτων των ασυνεχειών ή των υλικών πλήρωσης Η διαστασιολόγηση και τα προσωρινά μέτρα υποστήριξης βάσει Q απαιτούν επίσης τον υπολογισμό της D e =(άνοιγμα, διάμετρος ή ύψος εκσκαφής σε m)/ (Excavation Support Ratio ESR) και την εφαρμογή του παρακάτω σχήματος: Γ. Μπελόκας 37

Μηχανική Συμπεριφορά Βραχομάζας Σχήμα 4.2: Μέτρα προσωρινής υποστήριξης βάσει Q. Η τιμή του ESR δίνεται από τον ακόλουθο πίνακα: Πίνακας 4.3: Τιμές ESR ανάλογα με το είδος της εκσκαφής σύστημα Q. Κατηγορία εκσκαφής A Προσωρινά ορυχεία B Μόνιμα ορυχεία, υδραυλικές σήραγγες σταθμών ρεύματος, πιλοτικές σήραγγες, μετωπα μεγάλων εκσκαφών C Αποθηκευτικοί χώροι, εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού, μικρές οδικές και σιδηροδρομικές σήραγγες, σήραγγες πρόσβασης D Σταθμοί παραγωγής ρεύματος, μεγάλες οδικές και σιδηροδρομικές σήραγγες, καταφύγεια πολιτών, διασταυρώσεις στομίων E Υπόγειοι πυρηνικοί σταθμοί, σιδηροδρομικοί σταθμοί, δημόσιες και αθλητικές εγκαταστάσεις, εργαστάσια ESR 3-5 1.6 1.3 1.0 0.8 Σύμφωνα με τη μεθοδολογία αυτή προκύπτουν και τα ακόλουθα μεγέθη σχεδιασμού: Μήκος αγκυρίων: L=(2+0.15B)/ESR Μέγιστο ανυποστήρικτο άνοιγμα: 2ESRQ 0.4 Φορτία μόνιμης επένδυσης: P roof =2(J n )0.5Q (-1/3) /(3J r ) 4.4 Σύστημα ταξινόμησης GSI Είναι ένα σύστημα που προτάθηκε από τον Hoek (1994) και εκτιμά τη μείωση της αντοχής της βραχόμαζας για διάφορες γεωλογικές καταστάσεις. Είναι συμβατό με το σύστημα RMR για RMR>40, ενώ για RMR<40 (πτωχής ποιότητας βραχόμαζα) το GSI πλεονεκτεί γιατί προσφέρει μεγαλύτερη διακριτοποίηση. Το σύστημα GSI εφαρμόζεται σε βραχόμαζες με αλληλεμπλοκή Γ. Μπελόκας 38