Εκτίμηση της Εκσκαψιμότητας της Βραχομάζας με Χρήση του Γεωλογικού Δείκτη Αντοχής GSI

Εκτίμηση της Εκσκαψιμότητας της Βραχομάζας με Χρήση του Γεωλογικού Δείκτη Αντοχής GSI Excavatability Assessment of Rock Masses Using the Geological Strength Index (GSI) ΤΣΙΑΜΠΑΟΣ, Γ. ΣΑΡΟΓΛΟΥ, Χ. Δρ. Τεχνικός Γεωλόγος, Αναπλ. Καθηγητής, Τομέας Γεωτεχνικής, Ε.Μ.Π. Δρ. Τεχνικός Γεωλόγος, M.Sc., D.I.C., Τομέας Γεωτεχνικής, Ε.Μ.Π. ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην παρούσα εργασία προτείνεται μέθοδος εκτίμησης της εκσκαψιμότητας για βραχομάζες με βάση α) το Γεωλογικό Δείκτη Αντοχής GSI, και β) την αντοχή σε σημειακή φόρτιση. Η μέθοδος βασίζεται στην επεξεργασία μεγάλου αριθμού περιπτώσεων εκσκαφής σε διάφορους τύπους πετρωμάτων (ασβεστολίθους, γνευσίους, μάρμαρα, ψαμμίτες, σχιστολίθους) που έχουν διαφορετικό βαθμό κερματισμού. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται σε ετερογενείς βραχομάζες (όπως φλύσχης) και σε χαοτικές βραχομάζες (bimrocks). Από την παρούσα έρευνα, προτείνονται διαγράμματα GSI στα οποία διακρίνονται οι διαφορετικοί τρόποι εκσκαφής με βάση τον τύπο της βραχομάζας (δομή και κατάσταση ασυνεχειών) και την αντοχή του άρρηκτου πετρώματος. ABSTRACT : In the present study a new classification method for the assessment of ease of excavation of rock masses is proposed, based on the Geological Strength Index and the point load strength of the intact rock. The data originate from excavation sites in Greece in sedimentary and metamorphic rock masses. A wide variety of rock structures were considered, ranging from blocky to disintegrated, and different excavation methods have been used (blasting, hydraulic breaking, ripping and digging). The proposed method cannot be applied to heterogeneous rock masses and soft rocks/hard soils. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η εκτίμηση της εκσκαψιμότητας των πετρωμάτων είναι πολύ σημαντική στα χωματουργικά έργα, στην κατασκευή έργων οδοποιίας και άλλων Έργων Πολιτικού Μηχανικού (όπως θεμελιώσεις) καθώς και σε επιφανειακά λατομεία και μεταλλεία. Στην παρούσα εργασία ο όρος εκσκαψιμότητα χρησιμοποιείται με την ευρεία έννοια και αναφέρεται στην ευκολία εκσκαφής του άρρηκτου πετρώματος και της βραχομάζας και περιλαμβάνει τις μεθόδους: (α) εκσκαφής με μηχανικά μέσα όταν επικρατούν εύκολες/ πολύ εύκολες συνθήκες εκσκαφής, (β) εκσκαφής με μηχανικό άροτρο (ripper), για μέτριες έως δύσκολες συνθήκες και (γ) εκσκαφής με εκρηκτικά για πολύ δύσκολες συνθήκες. Η γνώση των φυσικών και μηχανικών χαρακτηριστικών καθώς και της συμπεριφοράς των γεωυλικών που πρόκειται να εκσκαφθούν είναι απαραίτητη για την επιλογή της πιο αποτελεσματικής μεθόδου εκσκαφής. 2. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 2.1 Εκτίμηση της εκσκαψιμότητας Όλες οι μέθοδοι που έχουν χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της εκσκαψιμότητας των πετρωμάτων λαμβάνουν υπόψη την αντοχή σε μονοαξονική θλίψη, τον βαθμό αποσάθρωσης και την απόσταση των ασυνεχειών. Κάποιες περιλαμβάνουν ακόμα την σεισμική ταχύτητα, καθώς και τη συνέχεια, το άνοιγμα, τον προσανατολισμό και την τραχύτητα των ασυνεχειών. Αναλυτική ανασκόπηση των βασικών μεθόδων εκτίμησης της εκσκαψιμότητας των πετρωμάτων δίνεται από τους MacGregor et al. (1994) και Basarir & Karpuz (2004). 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 1

Αρχικά, οι Franklin et al. (1971) πρότειναν μια μέθοδο εκτίμησης της εκσκαψιμότητας που βασίζεται στην αντοχή σε σημειακή φόρτιση του άρρηκτου πετρώματος, Is 50, και στο δείκτη απόστασης των ασυνεχειών, I f, ο οποίος είναι η μέση απόσταση των ασυνεχειών κατά μήκος μιας γραμμής σάρωσης. Ο Atkinson (1971) πρότεινε την εκτίμηση της εκσκαψιμότητας μέσω της ταχύτητας των επίμηκων κυμάτων διαμέσου της βραχομάζας σε διαφόρους τύπους πετρωμάτων. Οι Scoble & Muftuoglu (1984) πρότειναν την ταξινόμηση με βάση το βαθμό αποσάθρωσης, την αντοχή σε μονοαξονική θλίψη του άρρηκτου πετρώματος, την απόσταση ασυνεχειών και των επιπέδων στρώσης σε στρωσιγενείς βραχομάζες. Οι Pettifer & Fookes (1994) ανέφεραν ότι η εκσκαψιμότητα εξαρτάται από της ιδιότητες του βραχώδους υλικού, τα μηχανήματα εκσκαφής και τον τρόπο εργασίας. Επισήμαναν ότι τα χαρακτηριστικά των ασυνεχειών είναι από τις πιο σημαντικές παραμέτρους δεδομένου ότι καθορίζουν το μέγεθος των βραχωδών τεμαχών και πρότειναν αναλυτικό διάγραμμα παρόμοιο με αυτό των Franklin et al. (1971). 2.2 Χρήση συστημάτων ταξινόμησης βραχομάζας για την εκτίμηση της εκσκαψιμότητας Η ταξινόμηση του Weaver (1975) βασίζεται στο σύστημα RMR (Bieniawski 1974). Ο Kirsten (1982) πρότεινε σύστημα εκτίμησης της εκσκαψιμότητας για εύρος ασθενούς εδάφους έως βράχου υψηλής αντοχής σε σχέση με τα χαρακτηριστικά της βραχομάζας, όπως την αντοχή αυτής, το μέγεθος των τεμαχών της, τον σχετικό προσανατολισμό των δομικών ασυνεχειών και την αντοχή των τοιχωμάτων των ασυνεχειών. Ο Kirsten (1982) πρότεινε τον δείκτη εκσκαψιμότητας (N), που καθορίζεται με βάσει αρκετές παραμέτρους του συστήματος Q (Barton et al., 1974). Οι Abdullatif & Cruden (1983) συσχέτισαν την ευκολία εκσκαφής και την παραγωγικότητα με την ποιότητα της βραχόμαζας μέσω του συστήματος RMR, ενώ οι Hoek & Karzulovic (2000) με βάση τα ίδια δεδομένα πρότειναν ένα εύρος του δείκτη GSI για διαφορετικές μεθόδους εκσκαφής. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε ο Γεωλογικός Δείκτης Αντοχής (GSI), όπως προτάθηκε αρχικώς από τους Marinos & Hoek (2000) για να ταξινομηθεί και να συσχετιστεί ο κάθε τύπος βραχομάζας με τις υπάρχουσες μεθόδους εκσκαφής. Ελήφθη ακόμα υπόψη η αντοχή του άρρηκτου πετρώματος ενώ αξιολογήθηκαν και οι ιδιότητες των ασυνεχειών καθώς και η απόστασή τους, η οποία ελέγχει το μέγεθος των τεμαχών. 2.3 Γεωλογικός Δείκτης Αντοχής - Ποσοτικοποίηση του διαγράμματος GSI Ο Γεωλογικός Δείκτης Αντοχής (GSI) προτάθηκε από τους Hoek et al. (1992). Οι Marinos & Hoek (2000) επέκτειναν το σύστημα GSI σε ασθενείς βραχομάζες. Ο Palmström (2000), πρότεινε το μέγεθος τεμαχών και η απόσταση ασυνεχειών να λαμβάνεται υπόψη στο διάγραμμα GSI. Οι Cai et al. (2004) παρουσίασαν ένα ποσοτικοποιημένο διάγραμμα GSI με τον όγκο του τεμάχους για κάθε κατηγορία βραχομάζας. Επομένως, η δομή ποσοτικοποιήθηκε μέσω της απόστασης ασυνεχειών, ενώ η κατάσταση των επιφανειών ασυνεχειών μέσω ενός συντελεστή ποιότητας ασυνεχειών. Ο τύπος βραχόμαζας (rockmass type) είναι καθοριστικός παράγοντας στην εκτίμηση της εκσκαψιμότητας, δεδομένου ότι συνδέεται άμεσα με τον αριθμό των οικογενειών ασυνεχειών και αντιπροσωπεύει τη δομή της βραχομάζας. Για τους λόγους αυτούς, η παρούσα εκτίμηση της εκσκαψιμότητας βασίζεται στο αρχικό διάγραμμα GSI (έκδοση 2000), ενώ γίνεται ειδική αναφορά στον όγκο των βραχωδών τεμαχών. 3. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΒΡΑΧΟΜΑΖΩΝ 3.1 Εργασίες υπαίθρου - Μεθοδολογία Οι εργασίες υπαίθρου έγιναν σε εργοτάξια οδοποιίας σε διάφορες θέσεις του Ελλαδικού χώρου. Γενικά, τα πετρώματα που ερευνήθηκαν ήταν ιζηματογενή (ασβεστόλιθοι, ψαμμίτες και ιλυόλιθοι) και μεταμορφωμένα (γνεύσιοι, σχιστόλιθοι και μάρμαρα), ενώ τα επικρατέστερα ήταν οι ασβεστόλιθοι και οι ψαμμίτες. Οι εργασίες που έγιναν σε 61 επιλεγμένες θέσεις περιελάμβαναν τον καθορισμό των ιδιοτήτων του άρρηκτου πετρώματος και της βραχομάζας, της μεθόδου εκσκαφής και της παραγωγικότητας αυτής. Για την περιγραφή και ταξινόμηση των βραχομαζών, οι ακόλουθες παράμετροι καταγράφηκαν (ISRM, 1981): (α) τύπος πετρώματος, (β) αριθμός οικογενειών ασυνεχειών, (γ) απόσταση ασυνεχειών, (δ) προσανατολισμός ασυνεχειών, 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 2

(ε) κατάσταση επιφανειών ασυνεχειών, (στ) βαθμός αποσάθρωσης. Η έρευνα περιελάμβανε τον προσδιορισμό στο εργαστήριο του φαινόμενου βάρους και της αντοχής σε σημειακή φόρτιση του άρρηκτου πετρώματος με βάση τις προδιαγραφές της ISRM (1985). Τέλος, οι βραχομάζες που ερευνήθηκαν ταξινομήθηκαν με βάση το σύστημα GSI. 3.2 Ταξινόμηση βραχομαζών Οι βραχομάζες που ερευνήθηκαν έχουν γενικά τεμαχισμένη (18 θέσεις) και πολύ τεμαχισμένη δομή (29 θέσεις). Η κατάσταση των ασυνεχειών των τεμαχισμένων βραχομαζών είναι μέτρια, καλή και πολύ καλή. Στις πολύ τεμαχισμένες βραχομάζες, η κατάσταση των ασυνεχειών είναι πτωχή, μέτρια και καλή. Κάποιες βραχομάζες έχουν τεμαχισμένη /διαταραγμένη/στρωματώδη δομή και μέτρια έως καλή κατάσταση ασυνεχειών (7 θέσεις). Τέλος, λίγες έχουν αποδομημένη (5 θέσεις) και διατμημένη δομή (2 θέσεις) με πτωχή έως μέτρια κατάσταση ασυνεχειών. 4. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Με βάση την επεξεργασία των δεδομένων προέκυψαν τα ακόλουθα συμπεράσματα όσον αφορά την απόσταση ασυνεχειών και την αντοχή σε σημειακή φόρτιση του άρρηκτου πετρώματος. (α) βραχομάζες που έχουν απόσταση ασυνεχειών, I f, μεγαλύτερη από 0.3 0.5 μ. και αντοχή σε σημειακή φόρτιση μεγαλύτερη από 1 MPa εκσκάπτονται με χρήση είτε υδραυλικής σφύρας είτε χρήση εκρηκτικών, (β) βραχομάζες που έχουν απόσταση ασυνεχειών μικρότερη από 100 mm (μικρή έως πολύ μικρή απόσταση με βάση την ISRM 1981) εκσκάπτονται με χρήση μηχανικών αρότρων ή απλών σκαπτικών μηχανημάτων ανεξάρτητα από την αντοχή σε σημειακή φόρτιση. (γ) βραχομάζες που έχουν αντοχή σε σημειακή φόρτιση μικρότερη από 0.5 MPa μπορούν να εκσκαφθούν εύκολα με μηχανικά άροτρα ή απλά σκαπτικά μηχανήματα, ανεξάρτητα από την απόσταση ασυνεχειών (I f ). Από τις θέσεις που εξετάστηκαν δεν υπήρχε βραχομάζα με αντοχή μικρότερη από 0.5 MPa. Στην πλειονότητα των θέσεων η εκσκαφή με μηχανικό άροτρο είναι εφικτή για τιμές αντοχής Σχήμα 1. Εύρος αντοχής άρρηκτου πετρώματος ανά μέθοδο εκσκαφής Figure 1. Rock strength range for different excavation methods. μικρότερες από Is 50 = 3.0 MPa και απόσταση ασυνεχειών μικρότερη από I f = 0.3 m. Το εύρος της αντοχής σε σημειακή φόρτιση σε σχέση με την κάθε μέθοδο εκσκαφής παρουσιάζεται στο Σχήμα 1. Προκύπτει ότι οι βραχομάζες που έχουν εκσκαφθεί: (α) με χρήση εκρηκτικών έχουν αντοχή μεταξύ 2 και 5 MPa, με μέση τιμή ίση με 3 MPa. (β) με υδραυλική σφύρα σε συνδυασμό με μηχανικό άροτρο έχουν αντοχή μεταξύ 1.2 και 3 MPa (μέση τιμή ίση με 2.3 MPa). (γ) με μηχανικό άροτρο έχουν αντοχή μεταξύ 0.5 και 5 MPa με μέση τιμή ίση με 2 MPa. 5. ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΗ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ 5.1 Γενικά Από την παρούσα έρευνα προέκυψε ότι η χρήση της ταξινόμησης με βάση το GSI σε συνδυασμό με την αντοχή του άρρηκτου πετρώματος μπορεί να παρέχει ένα ποιοτικό χαρακτηρισμό των μεθόδων εκσκαφής των πετρωμάτων. Στη μέθοδο αυτή είναι σημαντική η καταγραφή της δομής του πετρώματος και της κατάστασης των επιφανειών των ασυνεχειών. Για παράδειγμα, αν οι ασυνέχειες είναι κλειστές έως πολύ κλειστές (άνοιγμα μικρότερο από 0.5 mm) είναι πολύ πιθανό ότι τα βραχώδη τεμάχη δεν μπορούν να αποχωρισθούν και επομένως η βραχομάζα δεν εκσκάπτεται με μηχανικό άροτρο, ενώ απόσταση ασυνεχειών, μεταξύ 0.1 0.5 μ. θα επέτρεπε τη χρήση άροτρου στις περισσότερες περιπτώσεις. Όταν οι ασυνέχειες είναι ανοικτές 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 3

(άνοιγμα μεταξύ 2.5 και 10 mm) ή πολύ ανοικτές (μεταξύ 10 και 25 mm), κενές ή πληρωμένες με μαλακό και η απόσταση τους μεταξύ 0.5 και 1.0 μ., τότε η εκσκαφή γίνεται με χρήση άροτρου δεδομένου ότι τα τεμάχη αποσπώνται σχετικά εύκολα. Ακόμα, η αντοχή του άρρηκτου πετρώματος των τεμαχών είναι σημαντική καθώς η εκσκαφή με άροτρο περιλαμβάνει τη θραύση και ρωγμάτωση και του άρρηκτου πετρώματος. Τα ιζηματογενή πετρώματα που έχουν καλά ανεπτυγμένη στρώση και οι έντονα ρωγματωμένοι ή πυκνά ενδιαστρωμένοι ισχυροί και ασθενείς βράχοι μπορούν να εκσκαφθούν με χρήση άροτρου ή με απλά μηχανικά μέσα. Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται η διάκριση των μεθόδων εκσκαφής στις θέσεις έρευνας σε σχέση με το δείκτη GSI και την αντοχή σε σημειακή φόρτιση, από όπου είναι σαφές ότι διακρίνονται τρεις περιοχές στο διάγραμμα GSI-Is 50, που αντιπροσωπεύουν τις διαφορετικές μεθόδους εκσκαφής (χρήση εκρηκτικών και/ή υδραυλικής σφύρας, άροτρου και απλών εκσκαπτικών μέσων). Για συγκεκριμένη τιμή αντοχής βράχου, η ευκολία εκσκαφής αυξάνεται με την μείωση της ποιότητας της βραχομάζας (χαμηλότερες τιμές GSI), επομένως η εκσκαφή με εκρηκτικά μπορεί να αντικατασταθεί με αυτή με άροτρο ή ακόμα με απλά εκσκαπτικά μέσα. Η έρευνα αποδεικνύει ότι η τιμή αντοχής πέραν της οποίας απαιτείται χρήση εκρηκτικών είναι ίση με 3 MPa. Αυτή είναι όμοια με αυτές που προτείνονται στην βιβλιογραφία καθώς οι πλειονότητα των ερευνητών έχει προτείνει αντοχή σε μονοαξονική θλίψη (σ c ) ίση με 70 MPa, που ισοδυναμεί με αντοχή σε σημειακή φόρτιση ίση με 3 MPa (Bell 2004; McLean & Gribble 1985; Bieniawski 1974). Συμπερασματικά, προτείνονται δύο διαγράμματα ταξινόμησης της εκσκαψιμότητας με βάση το σύστημα GSI: (α) για βραχομάζες με αντοχή σε σημειακή φόρτιση (Is 50 ) μεταξύ 0.5 και 3 MPa; (β) για βραχομάζες με αντοχή σε σημειακή φόρτιση (Is 50 ) μεγαλύτερη ή ίση με 3 MPa. Προκειμένου να προσδιορισθεί το εύρος της τιμής GSI για κάθε μέθοδο εκσκαφής, προσδιορίστηκαν οι τύποι βραχομάζας με βάση τη δομή αυτής και την κατάσταση των ασυνεχειών. Κάθε τύπος βραχομάζας χαρακτηρίζεται από ένα κωδικό που αποτελείται από το δείκτη S (αριθμός) που αντιστοιχεί στη δομή και το Σχήμα 2. Διάγραμμα GSI και αντοχής πετρώματος Is 50 Figure 2. GSI - Is 50 chart. δείκτη D (αριθμός) που αντιστοιχεί στην κατάσταση ασυνεχειών. Για παράδειγμα, μια άρρηκτη/ συμπαγής δομή ορίζεται ως S1 και μια διατμημένη/ φυλλώδης βραχόμαζα ως S6, ενώ η πολύ καλή ποιότητα επιφάνειας ασυνεχειών ορίζεται ως D1 και η πολύ πτωχή ποιότητα ως D6. 5.2 Εκτίμηση της εκσκαψιμότητας με βάση το GSI Τα πετρώματα με αντοχή σε σημειακή φόρτιση μικρότερη από 3 MPa ταξινομούνται στο διάγραμμα GSI που παρουσιάζεται στο Σχήμα 3. Η χρήση εκρηκτικών απαιτήθηκε για βραχομάζες με τεμαχισμένη δομή με μέτρια έως πολύ καλή ποιότητα ασυνεχειών (τύπος S2D1 έως S2D3), ενώ η εκσκαφή με υδραυλική σφύρα απαιτήθηκε σε παρόμοιες συνθήκες και σε κάποιες περιπτώσεις και σε πολύ τεμαχισμένες βραχομάζες. Στις περισσότερες περιπτώσεις στις οποίες έγινε εκσκαφή με χρήση αρότρου (D8, D9 και D10) αφορούσαν βραχομάζες με πολύ τεμαχισμένη δομή και πτωχή έως καλή ποιότητα ασυνεχειών (τύπος S3D2 έως S3D4), ή με τεμαχισμένη/ διαταραγμένη/ στρωματώδη δομή (τύπος S4D2 έως S4D3). Η εκσκαφή με χρήση αρότρου ήταν σε κάποιο βαθμό επιτυχής και σε τεμαχισμένες βραχομάζες με μέτρια ποιότητα ασυνεχειών (S2D3). Σε πολύ τεμαχισμένες βραχομάζες με πτωχή ποιότητα (S3D4), η εκσκαφή έγινε εύκολα με άροτρα D7, ενώ σε βραχομάζες με στρωματώδη και διατμημένη/ φυλλώδη δομή με πτωχή 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 4

ποιότητα επιπέδων ασυνεχειών ή σχιστότητας (S4D4 έως S6D4) έγινε με χρήση απλών εκσκαπτικών μέσων. Η ταξινόμηση των περιπτώσεων με αντοχή μεγαλύτερη από 3 MPa φαίνεται στο Σχήμα 4. Η εκσκαφή με εκρηκτικά έγινε σε βραχομάζες με τεμαχισμένη δομή και μέτρια έως καλή ποιότητα (S2D2 έως S2D3) και με πολύ τεμαχισμένη δομή με καλή ποιότητα (S3D2). Η υδραυλική σφύρα χρησιμοποιήθηκε σε κάποιες πολύ τεμαχισμένες βραχομάζες ενώ η εκσκαφή με βαριά άροτρα (D8, D9) έγινε σε πολύ τεμαχισμένες και διαταραγμένες/ στρωματώδεις βραχομάζες με πτωχή έως μέτρια ποιότητα (S3D3 έως S3D4 και S4D3 έως S4D4). Απλά εκσκαπτικά μέσα χρησιμοποιήθηκαν σε αποδομημένες ασβεστολιθικές βραχομάζες (S5D3 έως S5D4). 5.3 Προτεινόμενα διαγράμματα εκσκαψιμότητας με βάση το σύστημα GSI Με βάση την ταξινόμηση GSI για τις βραχόμαζες που εμφανίζονται στις θέσεις έρευνας προτείνονται δύο διαγράμματα: Διάγραμμα GSI για Is 50 μικρότερο από 3 MPa Τα προτεινόμενα πεδία εκσκαψιμότητας στο διάγραμμα GSI για βραχομάζες με αντοχή άρρηκτου βράχου μικρότερη από 70 MPa (Is 50 <3 MPa) δίνονται στο Σχήμα 3. Η χρήση εκρηκτικών είναι απαραίτητη για βραχομάζες με GSI>65 και τεμαχισμένη έως πολύ τεμαχισμένη δομή. Η χρήση υδραυλικής σφύρας απαιτείται για τη χαλάρωση βραχομαζών με τιμές GSI μεταξύ 55 και 65, ενώ η εκσκαφή με άροτρο είναι εφικτή για τιμές GSI<55. Το κατώτερο όριο για εκσκαφή με άροτρο εξαρτάται από τη δομή της Σχήμα 3. Προτεινόμενη ταξινόμηση εκσκαψιμότητας για αντοχή πετρώματος Is 50 < 3 MPa Figure 3. Proposed classification of excavatability for intact rock strength Is 50 < 3 MPa 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 5

βραχομάζας, έτσι για πολύ τεμαχισμένη δομή είναι περίπου 25 ενώ για διαταραγμένες/ στρωματώδεις είναι 35. Βραχομάζες με τιμές GSI μέχρι και 25 (ή 35) μπορούν να εκσκαφθούν με απλά μέσα. Διάγραμμα GSI για Is 50 μεγαλύτερο από 3 MPa Στο Σχήμα 4 παρουσιάζονται τα προτεινόμενα πεδία εκσκαψιμότητας για βραχομάζες με αντοχή άρρηκτου βράχου μεγαλύτερη από 70 MPa (Is 50 > 3 MPa). Η εκσκαφή με εκρηκτικά απαιτείται για τιμές GSI>60 (τεμαχισμένη και πολύ τεμαχισμένη δομή). Η μεταβατική περιοχή όπου απαιτείται χρήση υδραυλικής σφύρας για τη χαλάρωση της βραχομάζας ισχύει για βραχομάζες με τεμαχισμένη, πολύ τεμαχισμένη και στρωματώδη δομή με τιμές GSI μεταξύ 45 και 60, ενώ σε κάποιες περιπτώσεις μπορεί να απαιτηθεί και χρήση εκρηκτικών σε αυτό το πεδίο. Παρότι το άρρηκτο πέτρωμα δεν μπορεί να εκσκαφθεί με άροτρο λόγω της υψηλής αντοχής του, το γεγονός ότι η βραχομάζα είναι κατακερματισμένη συνεπάγεται μικρό όγκο τεμαχών και έτσι μπορεί να γίνει η εκσκαφή. Η εκσκαφή με βαριά άροτρα (D8 ή και μεγαλύτερα) μπορεί να γίνει για τιμές GSI μεταξύ 20 και 45 για πολύ τεμαχισμένες βραχομάζες και μέχρι 30 για στρωματώδεις και αποδομημένες. Ακόμα, βραχομάζες με αποδομημένη και διατμημένη, φυλλώδη δομή με τιμές GSI<30 μπορούν να εκσκαφθούν μόνο με απλά εκσκαπτικά μέσα. 5.4 Ετεργογενείς βραχόμαζες (φλύσχης, μόλασσα) και ασθενείς βράχοι Η προτεινόμενη ταξινόμηση δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της εκσκαψιμότητας σε ετερογενείς βραχομάζες, όπως σε σχηματισμούς φλύσχη και μόλασσας (εναλλαγές ιλυολίθου ή αργιλικού σχιστολίθου Σχήμα 4. Προτεινόμενη ταξινόμηση εκσκαψιμότητας για αντοχή πετρώματος Is 50 > 3 MPa Figure 4. Proposed classification of excavatability for intact rock strength Is 50 > 3 MPa 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 6

Σχήμα 5. Διάγραμμα απόφασης εκσκαψιμότητας Figure 5. Excavatability decision chart και ψαμμιτών) ή σε χαοτικές βραχομάζες bimrocks, όπως σε οφιολιθικά συμπλέγματα με ισχυρά τεμάχη εντός ασθενούς περιβάλλοντος υλικού και ηφαιστειακούς σχηματισμούς, όπως λατυποπαγείς τόφφους. Η μέθοδος είναι εφαρμόσιμη σε φλυσχικούς σχηματισμούς με στρώματα ψαμμιτών μεγάλου πάχους. Δεν εφαρμόζεται ακόμα σε σκληρά εδάφη/ μαλακούς βράχους, ειδικά αυτούς που χαρακτηρίζονται ως πολύ έως μέτρια ασθενείς με αντοχή άρρηκτου πετρώματος (σ c ) μεταξύ 1.25 και 10 MPa. Σε αυτή την περίπτωση οι ασυνέχειες έχουν δευτερεύοντα και μικρό ρόλο στη συμπεριφορά της βραχομάζας (σε μαργαϊκούς σχηματισμούς). Η εκσκαφή σε αυτούς τους σχηματισμούς πρέπει να γίνεται πάντα με απλές μεθόδους, όπως τσάπες. Η συνολική εκτίμηση της εκσκαψιμότητας των βραχομαζών παρουσιάζεται στο διάγραμμα απόφασης στο Σχήμα 5. εκσκαπτόμενων υλικών και ε) απώλεια χρόνου λόγω βλαβών και συντήρησης μηχανημάτων. Στην παρούσα εργασία, καταγράφηκε η παραγωγικότητα στις θέσεις όπου η εκσκαφή έγινε με άροτρο και συσχετίστηκε με την τιμή του GSI όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 6, από όπου προκύπτει ότι η παραγωγικότητα μειώνεται γραμμικά με την αύξηση της ποιότητας της βραχομάζας. Η παραγωγικότητα για βραχομάζες με εύρος τιμών GSI μεταξύ 25 και 30 κυμαίνεται μεταξύ 400 και 500 m 3 /d, ενώ για βραχομάζες με τιμές GSI μεταξύ 45 και 55 μειώνεται στα 200 έως 300 m 3 /d. Η τάση αυτή είναι ποιοτική και εξαρτάται από τον τύπο του γεωλογικού υλικού και από την αντοχή του άρρηκτου πετρώματος. 5.5 Παραγωγικότητα εκσκαφής Ο ρυθμός παραγωγικότητας μπορεί να διαφέρει σημαντικά για τις ίδιες γεωλογικές συνθήκες και μηχάνημα εκσκαφής κυρίως λόγω των ακόλουθων παραγόντων (MacGregor et al., 1994): α) αν ο εκσκαφέας συμμετέχει και σε εργασίες άλλες εκτός από την εκσκαφή με άροτρο, β) αν ο εκσκαφέας λειτουργεί σε χαμηλό ρυθμό παραγωγικότητας λόγω περιορισμών χώρου του εργοταξίου ή παρουσία άλλων μηχανημάτων, γ) αν η παραγωγικότητα του εκσκαφέα περιορίζεται από το πρόγραμμα του εργοταξίου, δ) αν υπάρχει απαίτηση για το μέγεθος των Σχήμα 6. Διάγραμμα παραγωγικότητας - GSI Figure 6. Correlation of productivity with GSI 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 7

6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ο δείκτης GSI χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση της εκσκαψιμότητας των πετρωμάτων. Οι εκσκαφές στις 61 θέσεις που ερευνήθηκαν έγιναν σε ασβεστόλιθους, ψαμμίτες, ιλυόλιθους, γνεύσιους, σχιστόλιθους και μάρμαρα με κυμαινόμενη δομή και ποιότητα ασυνεχειών. Η πλειονότητα των βραχομαζών είχε τεμαχισμένη έως πολύ τεμαχισμένη δομή και αρκετές είχαν στρωματώδη και αποδομημένη δομή. Η ταξινόμηση λαμβάνει υπόψη την αντοχή σε σημειακή φόρτιση και τη δομή της βραχομάζας, ενώ προτείνονται δύο διαγράμματα GSI, για βραχομάζες με αντοχή: (α) Is 50 <3 MPa και (β) Is 50 > 3 MPa. Προσδιορίστηκε ότι εκρηκτικά απαιτούνται για τιμές GSI μεγαλύτερες από 65 για Is 50 < 3 MPa και 60 για Is 50 >3 MPa, σε συμπαγείς, τεμαχισμένες - πολύ τεμαχισμένες βραχομάζες με σφικτές ασυνέχειες. Η εκσκαφή με άροτρο επιτυγχάνεται για τιμές GSI μεταξύ 20 και 45, και πιο συγκεκριμένα μεταξύ 20 και 45 για Is 50 > 3 MPa ενώ για αντοχή Is 50 <3 MPa μεταξύ 25 και 55. Στο μεταβατικό πεδίο μεταξύ της εκσκαφής με άροτρο ή με χρήση εκρηκτικών στα διαγράμματα GSI, η χρήση υδραυλικής σφύρας είναι απαραίτητη. Η προτεινόμενη ταξινόμηση βρίσκει εφαρμογή σε βραχομάζες που οι ασυνέχειες ελέγχουν την εκσκαφή και δεν πρέπει να χρησιμοποιείται για ετερογενείς βραχομάζες (διατμημένο φλύσχη, χαοτικές δομές και μαλακούς βράχους) όπου η εκσκαφή μπορεί να γίνει με απλά εκσκαπτικά μέσα. 7. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Abdullatif, O.M. and Cruden, D.M. (1983), "The relationship between rock mass quality and ease of excavation". Bull. Eng. Geol. Environ, vol. 28, pp. 183-187. Atkinson, T. (1971), "Selection of open pit excavating and loading equipment", Trans Ins. of Mining and Metallurgy, vol. 80, pp. A101 -Al29. Barton, N., Lien, R. and Lunde, J. (1974), "Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support". Norwegian Geotechnical Institute Publication, pp. 4-15. Basarir, H. and Karpuz, C. (2004),"A rippability classification system for marls in lignite mines". Eng. Geol., vol.74, pp. 303 318. Bieniawski, Z.T. (1974), "Geomechanics classification of rock masses and its application to tunneling". Proc. of the 3 rd Cong. of I.S.R.M., Denver, vol. 1, pp. 27-32. Cai, M., Kaiser, P.K., Uno, H., Tasaka, Y. and Minami, M. (2004), "Estimation of rock mass deformation modulus and strength of jointed hard rock masses using the GSI system". Int J Rock Mech Min Sci, vol. 41, pp. 3-19. Franklin, J.A., Broch, E. and Walton, G. (1971), "Logging the mechanical character of rock". Trans. Inst. Min. Metall. 80, A1 A9 Hoek, E., Wood, D. and Shah, S. (1992), "A modified Hoek - Brown criterion for jointed rock masses". Proc. Rock Characterization, Symp. Int. Soc. Rock Mech, London, Brit. Geotech. Soc., pp. 209-214. Hoek, E. and Karzulovic, A., (2000), "Rock mass properties for surface mines. Slope Stability in Surface Mining", Littleton, Colorado: Society for Mining, Metallurgical and Exploration (SME), pp. 59-70. ISRM (1981), "Rock characterization, testing and monitoring". In: E.T. Brown, Editor, ISRM Suggested Methods, Pergamon Press, Oxford, p. 211 ISRM (1985), "Point load test, suggested method for determining point load strength". Int J Rock Mech Min Sci and Geomechanics Abstracts, vol. 22, pp.51-60. Kirsten, H. A. D. (1982), "A classification system for excavation in natural materials". The Civil Engineer in South Africa, vol. 24, pp. 293 308. MacGregor, F., Fell, R., Mostyn, GR., Hocking, G. and Nally, G. (1994), "The estimation of rock rippability". Q J Eng Geol, vol. 27, pp. 123 144. Marinos, P. and Hoek, E. (2000), "GSI: A Geologically friendly tool for rock mass strength estimation". Proc. of GeoEng2000 Conf., Melbourne, vol. 1, pp. 1422-1446. Palmström, A, (2000), "Recent developments in rock support estimates by the Rmi". J Rock Mech Tun. Techn, vol. 6 (1), pp. 1 19. Pettifer, G.S. and Fookes, P.G. (1994), "A revision of the graphical method for assessing the excavability of rock". Q J Eng Geol, vol. 27, pp. 145 164. Scoble, M.J. and Muftuoglu, Y.V. (1984), "Derivation of a diggability index for surface mine equipment selection". Min. Science and Technology, vol. 1, pp. 305 322. Weaver, J. M. (1975), "Geological factors significant in the assessment of rippability". The Civil Engineer in South Africa, vol. 17(12), pp. 313 316. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 8