6. Ρ Ε Υ Σ Τ Ο Π Ο Ι Η Σ Η Πρόβλεψη, Συνέπειες & Μέτρα Αντιμετώπισης Γιώργος Δ. Μπουκοβαλας Καθηγητής Ε.Μ.Π. (ΜΕΡΟΣ Α) Φεβρουάριος 2014 Niigata, Japan (1964) 1
6.1. ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ Υπενθύμιση από δυναμική συμπεριφορά εδαφικού στοιχείου ανακυκλική φόρτιση απομείωση διατμητικής δυσ-τμησίας απώλεια ενεργείας ±τ ±γ c τ o G 1G 1 -γ c γ c γ 2
ανακυκλική φόρτιση ογκομετρική παραμόρφωση υπερπιέσεις ύδατος πόρων ±τ σ' vo ±γ c ρευστοποίηση Περίληψη δυναμικής συμπεριφοράς 3
«εν δυνάμει» Cu=d60/d10<3.5 ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΙΜΑ ΕΔΑΦΗ (ποια εδάφη ρευστοποιούνται?) B A B Ζώνη A: κατ εξοχήν ρευστοποιήσιμα εδάφη Ζώνη B: πιθανώς (πιο δύσκολα) ρευστοποιήσιμα εδάφη B A B Cu=d60/d10>3.5 Ρευστοποιούνται και τα αμμοχάλικα; μερικά ιστορικά περιστατικά: 1948 Fuqui 1964 Valdez (Αλάσκα) 1975 Κίνα 1976 Κίνα 1983 Idaho (Η.Π.Α.) 1988 Αρμενία 1995 Kobe (Ιαπωνία) 2003 Λευκάδα? 4
κοκκομετρική διαβάθμιση υλικού επίχωσης που ρευστοποιήθηκε: καλά διαβαθμισμένο αργιλώδες αμμοχάλικο! Κριτήρια για αργιλώδεις άμμους...... Clay Content (<5μm) Clay Content (<3μm) LL W PI Wang (1976) < 15 20% - - > 0.9 LL - Seed & Idriss (1982) < 15% - < 35% > 0.9 LL - Youd (1998) - - < 35% - < 7% Andrews & Martin (2000) Seed et al. (2001) - < 10% < 32% > 0.9 LL - - - < 30% - < 10 12% Polito (2001) - - < 25% - < 7% 5
6.2 ΕΛΕΓΧΟΣ ΜΕ ΒΑΣΗ ΔΟΚΙΜΕΣ SPT (βασικές αρχές) 1ο ΒΗΜΑ: εκτίμηση της ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ σε ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΗ με την βοήθεια της δοκιμής Πρότυπης Διείσδυσης (ή SPT) 76 cm 63.5 kgr 6
Διόρθωση Βάθους (Ν 1 ) 60 = Ν m C N C E C N 1 p vo a < 1.7 ΧΩΡΑ Ιαπωνία Η.Π.Α. Κίνα Διόρθωση Ενέργειας Κρούσεως C E ΤΥΠΟΣ ΣΦΥΡΑΣ Donut Safety donut Donut ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ Ελεύθερη πτώση Σχοινί με τροχαλία και μηχανισμό απελευθέρωσης Σχοινί με τροχαλία Σχοινί με τροχαλία και μηχανισμό απελευθέρωσης Ελεύθερη πτώση Σχοινί με τροχαλία C E 1.30 1.12 1.00 0.75 1.00 0.83 Βασικές αρχές μεθόδου Seed et al. (1985) Αξιολόγηση πραγματικών περιστατικών όπου συνέβη (μαύρα σημεία) ή δεν συνέβη (λευκά σημεία) ρευστοποίηση σε σεισμό μεγέθους Μ=7.5 (N l ) 60 7
επίδραση ποσοστού ιλύος Μ=7.5 N α β C C N 1 60,cs N E m τ d /σ VO α 0 για FC 0 2 exp[1.76 (190 / FC )] για FC 5 35% 5.0 για FC 35% β 1 για FC 0 1.50 [0.99 (FC / 1000)] για FC 5 35% 1.2 για FC 35% (Ν 1 ) 60 (Ν 1 ) 60 = Ν m C N C E επίδραση μεγέθους (Μ) σεισμού d MSF ' VO 75 d ' L VO L,M 7. 5 (CRR MSF CRR M 7. 5 ) MSF / M w 224. 256 10. (Ν 1 ) 60 = Ν m C N C E 8
2ο ΒΗΜΑ: Υπολογισμός σεισμικών δράσεων d a 0.65 g vo max vo vo r d 3ο ΒΗΜΑ: Υπολογισμός συντελεστή ασφαλείας d vo d vo FS L L 100. 120. α max συντελεστής απομείωσης τάσεων r d m(0.65α max r d ) d d τ d βάθος z (m) r 1. 0 0. 00765 z for z 9. 15 m r 1. 174 0. 0267 z for 9. 15 z 9. 15 m Παράδειγμα... κορεσμένη αμμώδης απόθεση (ιλύς 10%) με γ κορ =20kN/m 3 σε βάθος z=5m, αριθμός κτύπων Ν m =10, D r =75% a (g) 0.30 0.15 0.00-0.15 S a / a max -0.30 0 2 4 6 8 10 a max = 0.24g σεισμός Μ w = 6.5 9
BHMA 1a: Διόρθωση αριθμού κρούσεων SPT, με μέτρηση Ν m = 10 N C C N 1 60, cs N E m - Διόρθωση βάθους: C N = (p a /σ vo ) 0.5 = (100/50) 0.5 = 1.41 < 1.7 C N = 1.41 - Διόρθωση ποσοστού ιλύος: ιλύς 10% α = exp[1.76-(190/10 2 )]=0.87 β = [0.99+10 1.5 /1000]=1.02 - Διόρθωση ενέργειας κρούσης: σχοινί με τροχαλία (Η.Π.Α.) C E = 1.0 και τελικώς (N 1 ) 60,cs = 0.87+1.02(1.41x1.0x10)= 15.2 (N 1 ) 60,cs = 15 BHMA 1β: Aντοχή σε ρευστοποίηση από ΕΠΙΤΟΠΟΥ δοκιμές (Ν 1 ) 60,cs = 15 (τ d /σ vo ) L,7.5 = 0.17 Μ w = 6.5 MSF=10 2.24 /6.5 2.56 = 1.44 και τελικώς.. (τ d /σ vo ) L = 1.44x0.17 = 0.245 10
BHMA 2 o : εκτίμηση διατμητικής τάσης σεισμού d vo a 0.65 g max vo vo r d a (g) 0.30 0.15 0.00-0.15 S a / a max σ vo = 5x20 = 100kPa σ vo = 5x(20-10) = 50kPa r d = 1-0.00765x5 = 0.96-0.30 0 2 4 6 8 10 a max = 0.24g σεισμός Μ w = 6.5 τ d /σ vo = 0.30 BHMA 3 o : Εκτίμηση Συντελεστή Ασφαλείας FS L =(τ d /σ vo ) l /(τ d /σ vo ) = 0.245/0.3 = 0.82 < 1.00 Άρα, υπάρχει κίνδυνος ρευστοποίησης για το συγκεκριμένο έδαφος και τον συγκεκριμένο σεισμό. Παρατήρηση: Σύμφωνα με την ισχύουσα σήμερα πρακτική, συχνά θεωρείται ότι ο συντελεστής ασφαλείας FS L =1.00 είναι ικανοποιητικός. Υπάρχει όμως και η άποψη ότι θα πρέπει FS L >1.00. Για παράδειγμα ο EC-8 απαιτεί ελάχιστο συντελεστή ασφαλείας FS L >1.20. 11
ΑΣΚΗΣΗ 6.1 Να υπολογισθεί ο συντελεστής ασφαλείας έναντι ρευστοποίησης στο σημείο Α, για τις 3 παρακάτω περιπτώσεις, στην περίπτωση του κύριου σεισμού της Κεφαλονιάς (Μ w =5.7, a max =0.55g). Τo έδαφος είναι ιλυώδης άμμος με ποσοστό ιλύος f=10% και δείκτη πλασιμότητας ΡΙ=0% (γ ΚΟΡ = 20.0 kn/m 3 ). Από δοκιμές SPT που πραγματοποιήθηκαν στο ελεύθερο πεδίο, πρίν την ανύψωση του Υ.Ο. (περίπτωση α), ο αριθμός κρούσεων στο σημείο Α βρέθηκε ίσος με Ν m =10. Η δοκιμή SPT εκτελέστηκε με μηχανισμό απελευθέρωσης του «πίπτοντος βάρους». Υπόδειξη: Στην περίπτωση (γ) να θεωρηθεί ότι η σεισμική επιτάχυνση είναι 1.25α max στην στέψη του επιχώματος, και 0.50a max στην βάση του επιχώματος και στο υπέδαφος. +5m +8m γ επιχ =22kN/m 3 ΣΥΟ ΣΥΟ Α (-8m) Α (-8m) (α) (β) (γ) Α (-8m) 6.3 ΕΛΕΓΧΟΣ ΜΕ ΒΑΣΗ ΔΟΚΙΜΕΣ CPT (η «επίσημη» μεθοδολογία NCEER, 2001) δοκιμή ΣΤΑΤΙΚΗΣ ΠΕΝΕΤΡΟΜΕΤΡΗΣΗΣ ή CPT 12
Η εκτέλεση της δοκιμής με Ολλανδικό Κώνο με μανδύα τριβής Begemann: 1. Προώθηση μόνο του κώνου 2. Προώθηση του κώνου μαζί με τον μανδύα 3. Προώθηση όλης της στήλης Η δοκιμή CPT έχει πλεονεκτήματα.. q c (MPa) f s (KPa) FS L φ eff ( o ) Depth from Seabed (m) Depth from Seabed 0.0 2.0 7.0 15.4 17.0 SW (GM) alternating SW (GM) ML,SW,SM SW (GM) SM mainly SM-ML 0 5 10 15 20 0 4 8 12 16 0 100200300 0 1 2 3 4 5 0 8 16 2 25 13
Αρχικά τουλάχιστον, η εκτίμηση του κινδύνου ρευστοποίησης από αποτελέσματα δοκιμών CPT δεν αναπτύχθηκε ανεξάρτητα, αλλά βασίσθηκε: - στην μέθοδο Seed et al. για δοκιμές SPT, που αναπτύχθηκε προηγουμένως, και - σε εμπειρικές συσχετίσεις του λόγου q C /N και του τύπου εδάφους. π.χ. Schmertman (1971) Είδος q c /N εδάφους Άμμος 0,5 0,6 Ιλυώδης 0,3 0,4 άμμος Αργιλώδης 0,3 0,4 άμμος Ιλύς 0,2 0,3 Άργιλος 0,1 0,2 q c σε ΜΡα, Ν =Ν Ι m, I m =ER m /60 Αρχικά τουλάχιστον, η εκτίμηση του κινδύνου ρευστοποίησης από αποτελέσματα δοκιμών CPT δεν αναπτύχθηκε ανεξάρτητα, αλλά βασίσθηκε: - στην μέθοδο Seed et al. για δοκιμές SPT, που αναπτύχθηκε προηγουμένως, και - σε εμπειρικές συσχετίσεις του λόγου q C /N και του τύπου εδάφους. q c /N q c σε ΜΡα, Ν =Ν Ι m, I m =ER m /60 D 50 (mm) 14
Ακολούθησε όμως, η διατύπωση ανεξάρτητης μεθοδολογίας για την εκτίμηση του κινδύνου ρευστοποίησης από αποτελέσματα δοκιμών CPT, βασισμένη απ ευθείας σε αντίστοιχα αποτελέσματα: NCEER/NSF WORKSHOP (JGGE, ASCE, Oct. 2001) από τους Τ. L. Youd, I. M. Idriss, R. D. Andrus, I. Arango, G. Castro, J. T. Christian R. Dobry, W. D. L. Finn, L. F. Harder, M. E. Hynes, K. Ishihara, J. S. Koester S.C. Liao, W. F. Marcuson III, G. R. Martin, J. K. Mitchell, Y. Moriwaki, M. S. Power, P. K. Robertson, R. B. Seed και K. H. Stokoe II Η νέα αυτή μεθοδολογία έχει πολλά κοινά σημεία με την μεθοδολογία για SPT που περιγράφηκε προηγουμένως. Έχει όμως και μία βασική διαφορά: O χαρακτηρισμός μίας εδαφικής στρώσης ως «εν δυνάμει ρευστοποιήσιμης» αποτελεί αναπόσπαστο μέρος της μεθοδολογίας και δεν γίνεται εκ προοιμίου, βάσει ανεξαρτήτων κριτηρίων, όπως με την δοκιμή SPT. NCEER/NSF WORKSHOP (JGGE, ASCE, Oct. 2001) T. L. Youd I. M. Idriss R. D. Andrus I. Arango G. Castro J. T. Christian R. Dobry W. D. L. Finn L. F. Harder M. E. Hynes K. Ishihara J. S. Koester S.C. Liao W. F. Marcuson III G. R. Martin J. K. Mitchell Y. Moriwaki M. S. Power P. K. Robertson R. B. Seed K. H. Stokoe II CSR or CRR 0.6 0.4 0.2 Μ=7.5 0.25 < D 50 (mm) < 2.0 FC(%) < 5 0 0 100 200 300 q c1n βασική καμπύλη για καθαρή άμμο 15
1ο ΒΗΜΑ: εντοπισμός των «εν δυνάμει» ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΙΜΩΝ ΕΔΑΦΙΚΩΝ ΣΤΡΩΣΕΩΝ S F % q C f VO 100 Q (q C VO) p a ' pa VO n 1 ευαίσθητα λεπτόκοκκα 2 οργανικά n =1.0 3 άργιλοι 4 ιλυώδη μίγματα n =0.5 1.0 5 άμμοι 6 άμμοι χονδρόκοκκοι n =0.5 7 χαλίκια 1ο ΒΗΜΑ: εντοπισμός των «εν δυνάμει» ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΙΜΩΝ ΕΔΑΦΙΚΩΝ ΣΤΡΩΣΕΩΝ S F % q C f VO 100 Q (q C VO) p a ' pa VO n C 347 122 2 2 I. logq. logf 1 ευαίσθητα λεπτόκοκκα 2 οργανικά 3 άργιλοι n =1.0 & I C >2.6 ΜΗ ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΙΜΑ 4 ιλυώδη μίγματα 5 άμμοι 6 άμμοι χονδρόκοκκοι 7 χαλίκια n 0.70 & n =0.5 & I C 2.6-3.0 ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΙΜΑ I C <2.6 ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΙΜΑ 16
2ο ΒΗΜΑ: Εκτίμηση της ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ σε ρευστοποίηση q C K q C C 1 N Q CS p a n p a C Q ' 170. VO 2ο ΒΗΜΑ: Εκτίμηση της ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ σε ρευστοποίηση q C K q C C 1 N Q CS p a K CS 17
2ο ΒΗΜΑ: Εκτίμηση της ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ σε ρευστοποίηση CRR d ' MSF CRR VO L M 75. 3ο ΒΗΜΑ: Υπολογισμός σεισμικών δράσεων d vo a 0.65 g max vo vo r d 4ο ΒΗΜΑ: Υπολογισμός συντελεστή ασφαλείας d vo d vo FS L L 100. 120. συντελεστής απομείωσης τάσεων r d α max m(0.65α max r d ) βάθος z (m) τ d 18
ΑΣΚΗΣΗ 6.2 Να υπολογισθεί ο συντελεστής ασφαλείας έναντι ρευστοποίησης στο σημείο Α, για τις 3 παρακάτω περιπτώσεις, στην περίπτωση του κύριου σεισμού της Κεφαλονιάς (Μ w =5.7, a max =0.55g). Από δοκιμές CPT που πραγματοποιήθηκαν στο ελεύθερο πεδίο, πριν την ανύψωση του Υ.Ο. (περίπτωση α), η αντίσταση αιχμής και η πλευρική τριβή του κώνου στο σημείο Α μετρήθηκαν ως q c =3.35MPa και f s =67 kpa. Για το έδαφος να θεωρηθεί ότι γ κορ. =20kN/m 3 Υπόδειξη: Στην περίπτωση (γ) να θεωρηθεί ότι η σεισμική επιτάχυνση είναι 1.25α max στην στέψη του επιχώματος, και 0.50a max στην βάση του επιχώματος και στο υπέδαφος. +5m +8m γ επιχ =22kN/m 3 ΣΥΟ ΣΥΟ Α (-8m) Α (-8m) (α) (β) (γ) Α (-8m) επίδραση μεγέθους (Μ) σεισμού (Ν 1 ) 60 = Ν m C N C E 19
6. Ρ Ε Υ Σ Τ Ο Π Ο Ι Η Σ Η Πρόβλεψη, Συνέπειες & Μέτρα Αντιμετώπισης Γιώργος Δ. Μπουκοβαλας Καθηγητής Ε.Μ.Π. (ΜΕΡΟΣ Β) Μάρτιος 2014 Ρευστοποίηση! Και τώρα τι κάνουμε; Οι συνέπειες μπορεί να είναί απλώς ενοχλητικές (καθίζηση εδάφους) έως καταστροφικές (lateral spreading, αστοχία πρανών, μείωση της Φ.Ι. θεμελιώσεων, αστοχία τοίχων αντιστήριξης,..). Αφού βεβαιωθούμε για τον κίνδυνο ρευστοποίησης, θα πρέπει να εκτιμήσουμε ποσοτικά τις συνέπειες της ρευστοποίησης στα τεχνικά έργα, και συγκεκριμένα να προβούμε (κατά περίπτωση) σε εκτίμηση - των καθιζήσεων & των οριζόντιων μετακινήσεων, - της παραμένουσας διατμητικής αντοχής του ρευστοποιημένου εδάφους, - της μειωμένης Φ.Ι. Θεμελιώσεων, - της ευστάθειας πρανών. Στην περίπτωση (και μόνον) που οι ανωτέρω έλεγχοι αποβούν αρνητικοί, θα πρέπει επιπλέον να λάβουμε μέτρα αποτροπής της ρευστοποίησης (π.χ. συμπύκνωση εδάφους ή επιτάχυνση της στράγγισης) ή αποτροπής των συνεπειών της ρευστοποίησης (π.χ. θεμελίωση με πασσάλους, αντιστήριξη πρανών). 1
6.4 ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ Ρευστοποίησης σε Τεχνικά Έργα Αστοχία Θεμελιώσεων ΕΠΙΔΡΑΣΗ Ρευστοποίησης σε Τεχνικά Έργα Αστοχία Θεμελιώσεων 2
Niigata, Japan (1964) Kocaeli (Izmit), Τουρκία (1999) 3
Kocaeli (Izmit), Turkey (1999) Ανάδυση υπογείων κατασκευών 4
Niigata, Japan (1964) Hokkaido, JAPAN 2003 5
Hokkaido, JAPAN 2003 Hokkaido, JAPAN 2003 6
Αστοχία φυσικών ή τεχνητών πρανών Puget Sound Earthq, M=7.1 Tacoma, Washington 1949 7
Ρευστοποίηση φράγματος Lower San Fernando κατά τον σεισμό του 1971 (Μ=6.6, R 10km) Hokkaido, JAPAN 2003 8
σεισμός Αιγίου (1995) αστοχία υποθαλάσσιου πρανούς στην Ερατεινή σεισμός Αιγίου (1995) αστοχία υποθαλάσσιου πρανούς στην Ερατεινή 9
σεισμός Αιγίου (1995) αστοχία υποθαλάσσιου πρανούς στην Ερατεινή Πλευρική - οριζόντια εξάπλωση (από το lateral spreading) 10
Loma Prieta, 1989, M=6.9 Chi-Chi, Taiwan, 1999, M=7.6 11
Kocaeli, Turkey, 1999, M=7.4 Nisqually, U.S.A., 2001, M=6.8 12
Αστοχία λιμενικών κρηπιδοτοίχων Kobe (1995) 13
14
6.5 ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Τεχνικών έργων έναντι Ρευστοποίησης Υπολογισμός ΚΑΘΙΖΗΣΕΩΝ μετά από την ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΗ (Tokimatsu & Seed, 1987) Μ=7.5 Μ=7.5 15
Μ=7.5 Μ=7.5 Διόρθωση για μέγεθος σεισμού Μ 7 1/2 M Αριθμός κύκλων CSR,M /CSR M=7.5 5 ¼ 2~3 1.50 6 5~6 1.32 6 ¾ 10 1.13 7 ½ 15 1.00 8 ½ 26 0.89 Υπολογισμός ΚΑΘΙΖΗΣΕΩΝ μετά από ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΗ (Ιshihara & Yoshimine, 1992) 16
Υπολογισμός οριζόντιων μετακινήσεων λόγω ΠΛΕΥΡΙΚΗΣ ΕΞΑΠΛΩΣΗΣ Youd et al. (2002) Επικλινές έδαφος log D 16. 213 1. 532M 1. 406 log R * 0. 012R 0. 338 log S H W 0. 54 logt 3. 413 log 100 F 0. 795[ D 0. 10mm] 15 15 50 15 Οριζόντιο έδαφος με αναβαθμό log D 16. 713 1. 532M 1. 406 log R * 0. 012R 0. 592 logw H W 0. 54 logt 3. 413log 100 F 0. 795[ D 0. 10mm] 15 15 50 15 Υπολογισμός οριζόντιων μετακινήσεων λόγω ΠΛΕΥΡΙΚΗΣ ΕΞΑΠΛΩΣΗΣ Youd et al. (2002) Μονάδες Ορισμός D H m Πλευρική μετατόπιση του εδάφους M W - Μέγεθος του σεισμού (κλίμακα Richter) R km (Οριζόντια) επικεντρική απόσταση T 15 m Συνολικό πάχος μη συνεκτικών εδαφικών στρώσεων με (Ν l ) 60 <15 F 15 % Μέση τιμή του ποσοστού ιλύος στις ανωτέρω εδαφικές στρώσεις (D 50 ) 15 mm Μέση τιμή της κοκκομετρικής διαμέτρου D 50 στις ανωτέρω εδαφικές στρώσεις S % Μέση κλίση της επιφάνειας του εδάφους W % (Η/L)x100, όπου Η το ύψος του αναβαθμού και L είναι η απόσταση του σημείου ελέγχου από τον αναβαθμό και R* = R + 10 [0.89M-5.64] 17
Hamada (1999) Επικλινές έδαφος log D H 0. 0125 H 088. 05. t 048. i D H (m) Η (m) θ (%) Οριζόντια εδαφική μετατόπιση Πάχος ρευστοποιημένου στρώματος Κλίση της εδαφικής επιφάνειας Ν Μέση τιμή διορθωμένου αριθμού κρούσεων (Ν 1 ) 60 α i (m/s 2 ) t i (s) Μέση επιτάχυνση στο i τμήμα της χρονο-ιστορίας των επιταχύνσεων Διάρκεια του i τμήματος της χρονο-ιστορίας των επιταχύνσεων Υπολογισμός AΠOΜΕΝΟΥΣΑΣ ΔΙΑΤΜΗΤΙΚΗΣ ΑΝΤΟΧΗΣ q ULT? Άργιλος c=s U, φ=0 ο Ρευστοποίησιμη άμμος W c=s U,RES, φ=0 ο Ρευστοποίησιμη άμμος c=s U,RES, φ=0 18
Υπολογισμός AΠOΜΕΝΟΥΣΑΣ ΔΙΑΤΜΗΤΙΚΗΣ ΑΝΤΟΧΗΣ (Seed & Harder, 1990) S u,r 0.14 N 2 l 60 cs αλλά και... S u,r ' vo Nl 60cs (Ν l ) 60-cs 0.0055 (Stark & Mesri, 1992) 6.6 Συνήθεις Μέθοδοι ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ 19
ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ Μείωση της διατμητικής παραμόρφωσης που επιβάλλει ο σεισμός Αύξηση της πυκνότητας του εδάφους Διευκόλυνση της ταχείας αποτόνωσης των υδατικών υπερ-πιέσεων ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ-ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ Διαφραγματικοί τοίχοι Βαθειά Εδαφική Ανάμιξη Επιφανειακή συμπύκνωση Βαθειά δονητική συμπύκνωση Βαθειά δονητική αντικατάσταση Χαλικοπάσσαλοι - σταργγιστήρια ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ Μείωση της διατμητικής παραμόρφωσης που επιβάλλει ο σεισμός Αύξηση της πυκνότητας του εδάφους Διευκόλυνση της ταχείας αποτόνωσης των υδατικών υπερ-πιέσεων ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ-ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ Διαφραγματικοί τοίχοι Βαθειά Εδαφική Ανάμιξη Επιφανειακή συμπύκνωση Βαθειά δονητική συμπύκνωση Βαθειά δονητική αντικατάσταση Χαλικοπάσσαλοι - σταργγιστήρια 20
Μείωση της διατμητικής παραμόρφωσης που επιβάλλει ο σεισμός φυσικό έδαφος ενισχυμένο έδαφος Ανάμιξη του εδάφους με κάποιο υλικό «σταθεροποίησης» (π.χ. τσιμέντο ή μπεντονίτη) Τρυπάνι Πιθανές διατάξεις 21
Τύποι διατρητικών στηλών Παραδείγματα από εδαφο-πασσάλους Εμπειρικά Διαγράμματα Σχεδιασμού max q u με τσιμέντο q u max q u με μπεντονίτη Περιεκτικότητα σε τσιμέντο Πλεονεκτήματα της μεθόδου Εφαρμόζεται ευρέως (στο εξωτερικό) Ταχεία και μικρού σχετικά κόστους Δεν προκαλεί θόρυβο & δονήσεις 22
ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ Μείωση της διατμητικής παραμόρφωσης που επιβάλλει ο σεισμός Αύξηση της πυκνότητας του εδάφους Διευκόλυνση της ταχείας αποτόνωσης των υδατικών υπερ-πιέσεων ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ-ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ Διαφραγματικοί τοίχοι Βαθειά Εδαφική Ανάμιξη Επιφανειακή συμπύκνωση Βαθειά δονητική συμπύκνωση Βαθειά δονητική αντικατάσταση Χαλικοπάσσαλοι - σταργγιστήρια Επιφανειακή συμπύκνωση 23
Επιφανειακή συμπύκνωση after before Βάθος επιρροής: Όπου W: πίπτον βάρος (t) H: ύψος πτώσεως (m) D.( m ) 0.5 W H περιοχή εφαρμογής... ζώνη1 ζώνη3 ΚΑΤΑΛΛΗΛΗ depth (m) ΑΚΑΤΑΛΛΗΛΗ 24
ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ Μείωση της διατμητικής παραμόρφωσης που επιβάλλει ο σεισμός Αύξηση της πυκνότητας του εδάφους Διευκόλυνση της ταχείας αποτόνωσης των υδατικών υπερ-πιέσεων ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ-ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ Διαφραγματικοί τοίχοι Βαθειά Εδαφική Ανάμιξη Επιφανειακή συμπύκνωση Βαθειά δονητική συμπύκνωση Βαθειά δονητική αντικατάσταση Χαλικοπάσσαλοι - σταργγιστήρια Βαθιά Δονητική Συμπύκνωση με VIBRO ROD Επιβολή κατακόρυφης ταλάντωσης με εύρος ±10~25mm και συχνότητα ~20Hz 0 μετά πριν 15 25
Βαθιά Δονητική Συμπύκνωση με VIBRO FLOTATION Βαθιά Δονητική Συμπύκνωση με VIBRO FLOTATION Οριζόντια ταλάντωση στο έδαφος λόγω έκκεντρης περιστροφής της τορπίλης. f=30~50hz δ=±5~23mm μήκος τορπίλης: 2~4,5m βάρος τορπίλης: 4~8t διάμετρος: 30~45cm *Dr: σχετική πυκνότητα στο μέσον μεταξύ δύο δονήσεων (καθαρή άμμος) 26
Περιοχή εφαρμογής.... SPT - N Dr (%) d μετά τη βελτίωση S πριν S/D Fines Content (%) (α) Και οι δύο μέθοδοι είναι αποτελεσματικές για (καθαρές) άμμους με ποσοστό ιλύος <10-15% (β) Περισσότερο αποτελεσματική είναι η Vibro-Flotation (αλλά και πλέον δαπανηρή) Βαθιά Δονητική Συμπύκνωση με VIBRO FLOTATION Ν 1 μετά τη συμπύκνωση Αρχική τιμή Ν 0 27
ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ Μείωση της διατμητικής παραμόρφωσης που επιβάλλει ο σεισμός Αύξηση της πυκνότητας του εδάφους Διευκόλυνση της ταχείας αποτόνωσης των υδατικών υπερ-πιέσεων ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ-ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ Διαφραγματικοί τοίχοι Βαθειά Εδαφική Ανάμιξη Επιφανειακή συμπύκνωση Βαθειά δονητική συμπύκνωση Βαθειά δονητική αντικατάσταση Χαλικοπάσσαλοι - σταργγιστήρια ΧΑΛΙΚΟΠΑΣΣΑΛΟΙ - ΣΤΡΑΓΓΙΣΤΗΡΙΑ Σύνθετη δράση.... Επιτάχυνση αποτόνωσης των υδατικών υπερπιέσεων Συμπύκνωση εδάφους (άμμοι) Ανάληψη φορτίου Αύξηση της ισοδύναμης διατμητικής αντοχής 28
Video of Drain improved Test Site Κατασκευή με VIBRO FLOTATION... 29
Κατασκευή με VIBRO FLOTATION... 2 R e D e 1.05* S 1.13* S 3 ό ά 4 ό ά S: πλευρά καννάβου 30
και η διαδικασία διαστασιολόγησης του καννάβου έχει ως εξής: Βήμα 1: Εκτιμάς τον ισοδύναμο αριθμό αρμονικών κύκλων φόρτισης του σεισμού Ν S, με βάση δεδομένο επιταχυνσιογράφημα ή την εμπειρική συσχέτιση με το μέγεθος του σεισμού (βλ. Σημειώσεις για εκτίμηση του κινδύνου ρευστοποίησης με βάση εργαστηριακά αποτελέσματα). Με ανάλογο τρόπο εκτιμάς και την διάρκεια της ισχυρής φάσης της σεισμικής δόνησης t d. Βήμα 2: Εκτιμάς τον αριθμό αρμονικών κύκλων φόρτισης που απαιτούνται για να ρευστοποιηθεί η δεδομένη στρώση άμμου, Ν l (< Ν S ). Βήμα 3: Υποθέτεις διάμετρο χαλικο-στραγγιστηρίου (2R d =0.60-1.00m) και τύπο καννάβου (3-γωνικό ή 4-γωνικό). Επίσης επιλέγεις την επιθυμητή τιμή του λόγου υδατικών υπερπιέσεων r g =ΔU/σ VO (=0.20-0.50). Βήμα 4: Eκτιμάς την διαπερατότητα k h και τον συντελεστή συμπιεστότητας m V3 της ρευστοποιήσιμης άμμου. Για ομοιόμορφες σχετικά άμμους με C U =D 60 /D 10 <5 και D 10 =0.1-0.3 mm, ισχύει προσεγγιστικά ότι: Τυπικές τιμές του συντελεστή m V3 k 2 h 100 D 10 όπου k h σε cm/s και D 10 σε cm m v3 1 1.5 =» K E s 31
και η διαδικασία διαστασιολόγησης του καννάβου έχει ως εξής: Βήμα 1: Εκτιμάς τον ισοδύναμο αριθμό αρμονικών κύκλων φόρτισης του σεισμού Ν S, με βάση δεδομένο επιταχυνσιογράφημα ή την εμπειρική συσχέτιση με το μέγεθος του σεισμού (βλ. Σημειώσεις για εκτίμηση του κινδύνου ρευστοποίησης με βάση εργαστηριακά αποτελέσματα). Με ανάλογο τρόπο εκτιμάς και την διάρκεια της ισχυρής φάσης της σεισμικής δόνησης t d. Βήμα 2: Εκτιμάς τον αριθμό αρμονικών κύκλων φόρτισης που απαιτούνται για να ρευστοποιηθεί η δεδομένη στρώση άμμου, Ν l (< Ν S ). Βήμα 3: Υποθέτεις διάμετρο χαλικο-στραγγιστηρίου (2R d =0.60-1.00m) και τύπο καννάβου (3-γωνικό ή 4-γωνικό). Επίσης επιλέγεις την επιθυμητή τιμή του λόγου υδατικών υπερπιέσεων r g =ΔU/σ VO (=0.20-0.50). Βήμα 4: Eκτιμάς την διαπερατότητα k h και τον συντελεστή συμπιεστότητας m V3 της ρευστοποιήσιμης άμμου. Βήμα 5: Υπολογίζεις τον χρονικό παράγοντα Τ ad και, με βάση τα διαγράμματα σχεδιασμού, την ακτίνα επιρροής του χαλικο-στραγγιστηρίου R e. Διαγράμματα σχεδιασμού χαλικο-στραγγιστηρίων r g u max h d Tad 2 vo w mv3rd k t 32
Εναλλακτικά (Bouckovalas et al., 2011) 0.5 A = 0.7 A = 1.0 0.4 T r g u k max vo h l al 2 w mv3rd t r u,max 0.3 0.2 0.1 0 0.5 T al =200 50 25 100 10 5 2 (a) T al =200 50 25 100 10 5 2 (b) A = 1.4 A = 2.0 r u,max 0.4 0.3 0.2 5 10 25 50 100 T al =200 2 5 10 50 25 100 T al =200 2 0.1 0 (c) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 a / b (d) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 a / b Εναλλακτικά (Bouckovalas et al., 2011) r g u max vo r u,g = u g /σ' o 1 0.8 0.6 0.4 Triaxial (TX) (D r = 40%) Eq.(5), with: A = 2.0 1.4 0.9 0.7 Triaxial (TX) (D r = 60%) Eq.(5), with: A = 2.0 1.4 0.9 0.7 T al k t h l 2 w mv3rd r u,g = u g /σ' o 0.2 0 1 0.8 0.6 0.4 Simple Shear (DSS) (D r = 40%) A = 2.0 Eq.(5), with: range of laboratory data 1.4 0.9 0.7 (a) Simple Shear (DSS) (D r = 60%) A = 2.0 Eq.(5), with: range of laboratory data 1.4 0.9 0.7 (b) 0.2 0 range of laboratory data (c) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N / N l range of laboratory data (d) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N / N l 33
Δεν τελειώσαμε...! Βήμα 6: Επιλέγεις το υλικό του χαλικοπασσάλου έτσι ώστε αν μην ρευστοποιείται, και επιπλέον να έχει διαπερατότητα 50-100 φορές μεγαλύτερη από την διαπερατότητα της ρευστοποιήσιμης άμμου. Πέραν των ανωτέρω, έχόυν προταθεί διάφορα κριτήρια για να αποτραπεί η μακροχρόνια διείσδυση της λεπτόκοκκης άμμου στα κενά του χαλικοστραγγιστηρίου, όπως d 15 /D 85 <5 9 (το d αναφέρεται στο υλικό του στραγγιστηρίου και το D στην ρευστοποιήσιμη άμμο) Συγκριτική αξιολόγηση της αποτελεσμάτικότητας διαφόρων μεθόδων βελτίωσης-ενίσχυσης από τον σεισμό του Kobe (1995) 34
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: Βελτίωση του εδάφους με χαλικοπασσάλους - στραγγιστήρια Δεδομένα Υπολογισμού: Μ = 6.25 a max = 0.36g Βάθος (m) 0 5 10 15 20 25 30 35 SM CL SM SM-ML SM SC 5 5 6 6 6 6 6 7 7 12 12 31 40 53 53 68 87 17 24 5 11 6 11 16 6 23 23 26 18 7 8 10 7 30 40 SM 0 20 36 40 60 80 100 0 10 20 30 40 50 47 Ποσοστό Ιλύος (%) N SPT 35
Αποτελέσματα.... 0 5 SM CL Μη ρευστοποιήσιμο 10 SM Βάθος (m) 15 20 25 SM-ML 30 35 SM SC Μη ρευστοποιήσιμο 40 SM 0 0.5 1 1.5 2 FS L Με τις αρχικές τιμές N SPT Βαθιά Δονητική Συμπύκνωση.... 4-γωνικός κάνναβος ΧΑΛΙΚΟΠΑΣΣΑΛΩΝ S = 2m 2R e =1.13 S=2.26m 2R d = 0.80m Ν 1 μετά τη συμπύκνωση R d /R e =0.35 & ποσοστό αντικατάστασης:α s = 0,126 Αρχική τιμή Ν 0 36
Αποτόνωση Υπερπιέσεων.... k s = 5x10-3 cm/sec N eq = 10 T e = 0.50 sec m v = 1/(4000 + 600 N SPT ) = = 4.5x10-3 8.1x10-3 cm 2 /kgf R d = 40 cm kn T T 2.0 3.5 s eq e d 2 m v γ w R d r u = 0.35 0.45 R d /R e = 0.35 r u 0.70 1 2 N sin π N L N π sin ru N L 2 1.43 0.27 0.39 N π FS L sin ru N L 2 Αποτελέσματα.... Βάθος (m) 0 5 10 15 20 25 SM CL SM SM-ML Μη ρευστοποιήσιμο 30 35 SM SC Μη ρευστοποιήσιμο 40 SM 0 0.5 1 1.5 2 FS L Με τις αρχικές τιμές N SPT Με N SPT μετά τη συμπύκνωση Με αποτόνωση των υπερπιέσεων 37
ΑΣΚΗΣΗ 6.3 Για την περίπτωση (α) της Άσκησης 6.1 να υπολογισθούν (με όλους τους δυνατούς τρόπους): 1. Η καθίζηση της ελεύθερης επιφάνειας του εδάφους εάν το συνολικό πάχος της άμμου είναι 16m 2. H οριζόντια μετατόπιση του ανωτέρω στρώματος, εάν η κλίση της επιφάνειας του εδάφους είναι i=2% (δίδονται επιπλέον R=5 km, D 50,15 =0.5mm, t eq = 5 & 10 sec) 3. Η φέρουσα ικανότητα κυκλικού θεμελίου ακτίνας 5m που εδράζεται σε βάθος 2μ από την επιφάνεια του εδάφους ΑΣΚΗΣΗ 6.4 Να επαναληφθεί το ανωτέρω παράδειγμα βελτίωσης του εδάφους με χαλικοπασσάλους στραγγιστήρια με χρήση της μεθόδου Bouckovalas et al. (2011) ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Τεχνικών Έργων έναντι Ρευστοποίησης 38
Συνήθεις μέθοδοι ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ-ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ του εδάφους 39