Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και ια Βίου Μάθηση Πρόγραμμα ια Βίου Μάθησης ΑΕΙ για την Επικαιροποίηση Γνώσεων Αποφοίτων ΑΕΙ: Σύγχρονες Εξελίξεις στις Θαλάσσιες Κατασκευές Α.Π.Θ. Πολυτεχνείο Κρήτης 8.3.5 Ρευστοποίηση Γεώργιος Μυλωνάκης Καθηγητής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών mylo@upatras.gr Θεοδώρα Τίκα Καθηγήτρια, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Α.Π.Θ. tika@civil.auth.gr
Nigata 1964 Καθίζηση και κλίση κατασκευών 2
Alaska 1964 Ρευστοποίηση Σουρεαλιστικό σκηνικό!!! 3
Φαινόμενο ρευστοποίησης (Ι) Πριν το σεισμικό συμβάν Κατά τη διάρκεια 4
Φαινόμενο ρευστοποίησης (ΙΙ) 5
Μηχανισμός πρόκλησης ρευστοποίησης Η αύξηση της πίεσης των πόρων μη συνεκτικών κορεσμένων εδαφικών σχηματισμών που προκαλείται από δυναμικές φορτίσεις (π.χ. σεισμικές ταλαντώσεις) υπό αστράγγιστες συνθήκες, μπορεί να προκαλέσει μείωση ακόμη και απώλεια της διατμητικής αντοχής του υλικού δημιουργώντας το φαινόμενο της ρευστοποίησης. Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται κυρίως σε ομοιόμορφα χαλαρά, λεπτά έως μεσοκοκκώδη ιζήματα. Βάσει του μηχανισμού γένεσης τα φαινόμενα ρευστοποίησης διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: α) την εδαφική ροή και β) την ανακυκλική κινητικότητα 6
Κριτήρια αναγνώρισης ρευστοποιήσιμων εδαφών Ιστορικά κριτήρια Γεωλογικά κριτήρια συνθήκες & περιβάλλον εναπόθεσης υδρολογικό περιβάλλον ηλικία της εδαφικής στρώσης Φυσικά χαρακτηριστικά Κοκκομετρία Όρια Atterberg Γεωτεχνική Έρευνα Μέρος 1 (Ambraseys, 1988) 7
Κριτήρια αναγνώρισης ρευστοποιήσιμων εδαφών με βάση τα φυσικά χαρακτηριστικά - Κινέζικα κριτήρια (Seed et al., 1973 & Wang, 1979) (% < 5μm ) < 15% LL(%) < 35% W(%) > 0.90 LL - Τροποποίηση κινέζικων κριτηρίων 8
Η αρχή της ενεργού τάσης Γεωτεχνική Έρευνα Μέρος 1 9
Ρευστοποίηση κοκκωδών εδαφών Καθαρές άμμοι Άμμοι με λεπτόκοκκα (πλαστικά και NP) Αμμοχάλικα Εδαφική ροή (flow liquefaction) Ανακυκλική κινητικότητα (cyclic mobility) Ακαριαία αύξηση της πίεσης του νερού των πόρων και της εδαφικής παραμόρφωσης. ΚΑΤΑΡΡΕΥΣΗ Ε ΑΦΙΚΗΣ ΟΜΗΣ ΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΕΣ ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ Προοδευτική αύξηση της πίεσης του νερού των πόρων και της εδαφικής παραμόρφωσης. ΧΑΛΑΡΩΣΗ Ε ΑΦΙΚΗΣ ΟΜΗΣ (ΕΝ ΓΕΝΕΙ) ΕΠΙΖΗΜΙΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ 10
Εκτίμηση της αντίστασης ρευστοποίησης Εργαστηριακές δοκιμές Τριαξονική δοκιμή ανακυκλικής φόρτισης οκιμή ανακυκλικής απλής διάτμησης οκιμή ανακυκλικής στρεπτικής διάτμησης Επιτόπου δοκιμές Πρότυπη δοκιμή διείσδυσης (SPT) οκιμή στατικής πενετρομέτρησης (CPT) Μετρήσεις της ταχύτητας των διατμητικών κυμάτων ΑΣΤΕ 1: υναμική και Ανακυκλική Συμπεριφορά του Εδάφους
Παράμετροι που επηρεάζουν την αντίσταση ρευστοποίησης η πυκνότητα του κοκκώδους εδάφους η μέση ενεργός τάση το ποσοστό των λεπτοκόκκων (% < 75μm) η πλαστικότητα των λεπτοκόκκων (για αμμώδη εδάφη) η μέθοδος προετοιμασίας των δοκιμίων στο Εργαστήριο 12
Εκτίμηση της αντίστασης ρευστοποίησης από εργαστηριακές δοκιμές Το φαινόμενο της ρευστοποίησης συνήθως μελετάται με δοκιμές ελεγχόμενης τάσης (stress controlled) στην κυκλική τριαξονική δοκιμή. Προετοιμάζονται δοκίμια κορεσμένου αμμώδους εδάφους, τα οποία πρώτα στερεοποιούνται σε δεδομένη ενεργή τάση και στη συνέχεια υποβάλλονται υπό αστράγγιστες συνθήκες σε μια ακολουθία κύκλων (ημιτονοειδούς) σταθερής κυκλικής τάσης έως ότου παραμορφωθούν μέχρι ένα ορισμένο μέγεθος αξονικής παραμόρφωσης διπλού μεγέθους. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής μετράται η πίεση του νερού των πόρων, η οποία όταν φθάσει την αρχική ενεργό τάση στερεοποίησης σε αξονική παραμόρφωση ε DA = 5% θεωρείται ότι το δοκίμιο έχει ρευστοποιηθεί. Αντίσταση σε ρευστοποίηση (Cyclic Resistance Ratio) ορίζεται ως ο λόγος της κυκλικής τάσης που προκαλεί ε DA =5%σε N = 15 20 κύκλους φόρτισης. 13
Εκτίμηση της αντίστασης ρευστοποίησης από εργαστηριακές δοκιμές CRR Ν = 15 20 14
Επίδραση της πυκνότητας και της μέσης ενεργού τάσης στην αντίσταση ρευστοποίησης CRR15 0.6 0.4 0.2 σ 0=50kPa σ ο=50kpa (α) CRR15 0.6 0.4 0.2 σ 0=100kPa σ ο=100kpa (β) CRR15 0 0 20 40 60 80 100 120 0.6 0.4 0.2 σ 0=300kPa σ ο=300kpa (δ) 0 0 20 40 60 80 100 120 άμμος, ιλύς και μείγματα άμμου - ιλύος 0 0 20 40 60 80 100 120 Σχετική πυκνότητα, D r (%) Σχετική πυκνότητα, D r (%) 15
Επίδραση του ποσοστού των λεπτοκόκκων, f c = % < 75μm Γεωτεχνική Έρευνα Μέρος 1 άμμος f c << f cth f c f cth f c >> f cth ιλύς CRR 15 0.3 0.2 0.1 f cth σ 0=100 kpa e = 0.631-0.669 σ ο=100kpa e=0.631-0.669 (a) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Ποσοστό λεπτοκόκκων, f c 16
Επίδραση της πλαστικότητας των λεπτοκόκκων και μεθόδου προετοιμασίας στην αντίσταση ρευστοποίησης Επίδραση της πλαστικότητας των λεπτοκόκκων Επίδραση της μεθόδου προετοιμασίας και της διατάραξης 17
Συσχέτιση αντίστασης ρευστοποίησης και παραμέτρου κρίσιμης κατάστασης ψ = e - e cs Ιλυώδης Άμμος (SM) e max e min D 50 (mm) C u f c (% < 75μm) S1 0.724 0.366 0.38 9.7 13 S2 1.155 0.521 0.19 12.5 23 Παράμετρος κρίσιμης κατάστασης, ψ 18
Ανακυκλική υπερπίεση του νερού των πόρων CSR 0.6 0.4 0.2 D r =42-48% D r =68% D r =44-45% u/σ 0 Δu/σ ο 0.95 D r =69-75% u/σ 0 Δu/σ'ο 1 (α) σ 0=50kPa σ ο=50kpa 0.8 0.6 0.4 0.2 70% 29% 60% D r (%) CSR 83 0.47 70 0.32-0.38 60 0.45 53 0.22 37 0.15 29 0.23 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1 10 100 Ν l Ν l Αμμος (Μ31) Άμμος (S) Άμμος + 15% SF15 λεπτόκοκκα u/σ 0 Δu/σ'ο 1 (γ) σ ο=300kpa σ 0=300kPa 0.8 0.6 0.4 0.2 CSR D r (%) 0.24-0.28 68 0.24 61 0.15 46 61% 68% 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 N/N l 19
Εκτίμηση της αντίστασης ρευστοποίησης από εργαστηριακές δοκιμές Για να υπολογισθεί η αντίσταση σε ρευστοποίηση σε συνθήκες σεισμικής φόρτισης (μη-περιοδική, μεταβλητού μεγέθους και δρα σε πολλές κατευθύνσεις) : C C max, L d 2 5 0 ή 2 ή ί 0 15 20 ό ί ό ό ή ά ό ά ή ή ό ή ό ό ή ύ ό ά ή ό ή ό ό ά ό ό έ ύ 1 2k0 0 v C 1 v 3 max, L d C1 C2 C5 2 v 0.65 1.55 for k0 0.50 1.00 d 1 d 2 0.65 2 v 0 20 20 0 20 max, L 1 d CRR v 0.65 2 v 20 H παραπάνω τιμή του θεωρείται ότι αντιστοιχεί σε σεισμό μεγέθους 7.5, CRR 7.5, και διορθώνεται για σεισμούς άλλου μεγέθους. 20
Έλεγχος ρευστοποίησης CRR ( CRR ) ( MSF ) 7.5 21
Προσδιορισμός αντίστασης ρευστοποίησης από επιτόπου δοκιμές (SPT, CPT, V s, κ.α.) Εκτίμηση της από τα αποτελέσματα της δοκιμής N SPT (NCEER, 1997) Μεταβολή της αντίστασης ρευστοποίησης, CSR=τ αν /σ ο, με τον αριθμό κτύπων της δοκιμής πρότυπης διείσδυσης, N 1(60), για ιλυώδεις άμμους και για σεισμό μεγέθους Μ=7.5 (EC8) 22
Υπολογισμός της κανονικοποιημένης αντίστασης αιχμής, N 1,60 N1,60 N CN CE CB CR CS όπου Ν = αντίσταση αιχμής C N = διόρθωση για τάση υπερκείμενων εδαφών (=P a /σ vo ) 0.5 Pa = ατμοσφαιρική πίεση Οι υπόλοιποι συντελεστές δίνονται στον Πίνακα 1. 23
Πίνακας 1. Συντελεστές διόρθωσης του N 1(60) 24
Προσδιορισμός αντίστασης ρευστοποίησης από επιτόπου δοκιμές (CPT, V s ) 25
ΈΛΕΓΧΟΣ ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ Υπολογισμός του λόγου της ανακυκλικής τάσης (Seed & Idriss, 1971) max max 0.65 r d g ή ή ί έ ί ό ό ό ή ί έ ή ά ώ ά ά ά ύ ό ό ά max max v CSR 0.65 rd g v v Γεωτεχνική Έρευνα Μέρος 1 CRR v FL CSR max Βάθος (m) r d Αναφορά z 9.15 m 1.0-0.00765 z Liao & Whitman (1986) 9.15 z 23m 1.174-0.0267 z» 23<z 30m 0.744-0.008 z Robertson & Wride (1997) v ό ή ά max, L v z>30m 0.50 Marcuson (1997) 26
Κριτήρια αναγνώρισης ρευστοποιήσιμων εδαφών Ιστορικά κριτήρια Γεωλογικά κριτήρια συνθήκες & περιβάλλον εναπόθεσης υδρολογικό περιβάλλον ηλικία της εδαφικής στρώσης Φυσικά χαρακτηριστικά Κοκκομετρία Όρια Atterberg Γεωτεχνική Έρευνα Μέρος 1 (Ambraseys, 1988) 27
Κριτήρια αναγνώρισης ρευστοποιήσιμων εδαφών με βάση τα φυσικά χαρακτηριστικά - Κινέζικα κριτήρια (Seed et al., 1973 & Wang, 1979) (% < 5μm ) < 15% LL(%) < 35% W(%) > 0.90 LL - Τροποποίηση κινέζικων κριτηρίων 28
ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΣΕ ΤΕΧΝΙΚΑ ΕΡΓΑ ΑΣΤΟΧΙΑ ΘΕΜΕΛΙΩΣΕΩΝ ΑΝΑ ΥΣΗ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΑΣΤΟΧΙΑ ΦΥΣΙΚΩΝ Η ΤΕΧΝΗΤΩΝ ΠΡΑΝΩΝ ΠΛΕΥΡΙΚΗ ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ ΕΞΑΠΛΩΣΗ ΑΣΤΟΧΙΑ ΛΙΜΕΝΙΚΩΝ ΚΡΗΠΙ ΟΤΟΙΧΩΝ 29
Παραδείγματα αστοχιών λόγω πλευρικής μετατόπισης (τροποποιημένο από Seed et al. 2003) Ρευστοποιήσιμο στρώμα Μετατόπιση προς ελεύθερη όψη Μετατόπιση προς τα κατάντη λόγω βαρύτητας Τοπική μετατόπιση με διάφορες πλευρικές μετατοπίσεις 30
Παραδείγματα αστοχιών λόγω κατακόρυφων μετατοπίσεων (τροποποιημένο από Seed et al. 2003) 31
Μηχανισμός δημιουργίας κώνων άμμου (τροποποιημένο από Obermeier et al. 2005) 32
Eκτίμηση επιφανειακών εμφανίσεων ρευστοποίησης σε σχέση με την τιμή της μέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης (τροποποιημένο από Ishihara 1985) 33
Nigata 1964 Καθίζηση και κλίση κατασκευών 34
Nigata 1964 35
Alaska 1964 36
Alaska 1964 Ρευστοποίηση Σουρεαλιστικό σκηνικό!!! 37
Kobe 1995 Hanshin Express way 38
Kobe 1995 Η ισχυρή σεισμική κίνηση προκάλεσε ρευστοποίηση στο λιμάνι και στις εγκαταστάσεις της προβλήτας 39
Σεισμός Αχαϊας Ηλείας 2008 Κρατήρες άμμου με ανάδυση του ρευστοποιημένου εδαφικού υλικού αμμοϊλυώδους σύστασης Εδαφικές ρωγμές με ανάδυση αμμώδους υλικού 40
Σεισμός Αχαϊας Ηλείας 2008 Εδαφικές ρωγμές με ή χωρίς ανάδυση αμμώδους υλικού 4-8cm 3-6cm 41
New Zealand 2011 Παραδείγματα ρευστοποίησης 42
New Zealand 2011 Εκτεταμένη ρευστοποίηση με πίδακες νερού και ανάδυση εδαφικού υλικού 43
44