Κεφάλαιο 12: Τεχνική γεωλογία και θεµελίωση γεφυρών 12.1 12. ΓΕΦΥΡΕΣ 12.1 Γενικά Οι γέφυρες γενικά αποτελούνται από το τµήµα της ανωδοµής και το τµήµα της υποδοµής. Τα φορτία της ανωδοµής (µόνιµα και κινητά) µεταφέρονται στις στηρίξεις της γέφυρας, και µέσω αυτών στη θεµελίωση της. Είναι απαραίτητο να γνωρίζει κανείς τη διεύθυνση που ασκούνται τα φορτία και σύµφωνα µε την παρατήρηση αυτή στην επόµενη εικόνα παρουσιάζονται οι τρόποι που ασκούνται τα φορτία στη θεµελίωση µιας γέφυρας. Βάθρο Μεσόβαθρο Βάθρο Κατάστρωµα Τόξο Θεµέλιο Πυλώνας Καλώδιο Αγκύρωση Πλαίσιο καλωδίου Εικόνα 12.1(από Krynine & Judd, 1957) α: αµφιέρειστη δοκός, b: αρθρωτή γέφυρα, κατακόρυφα φορτία c: τοξωτή γέφυρα, κατακόρυφα και οριζόντια φορτία d: πλαισιακή κατασκευή, κατακόρυφα και οριζόντια φορτία e: κρεµαστή γέφυρα, κατακόρυφα φορτία στους πυλώνες και εφελκυστικά φορτία στο καλώδιο της γέφυρας που ουσιαστικά στηρίζει το κατάστρωµα της γέφυρας
Κεφάλαιο 12: Τεχνική γεωλογία και θεµελίωση γεφυρών 12.2 12.2 Περιπτώσεις θεµελίωσης γεφυρών µε µεγάλα ανοίγµατα 12.2.1 Γέφυρα George Washington Η γέφυρα χτίστηκε µεταξύ 1927 και 1931 µε σκοπό να γεφυρώσει τον ποταµό Hudson και να συνδέσει τη νέα Υόρκη µε τη Νέα Υερσέη. Είναι καλωδιωτή γέφυρα µε δύο πυλώνες και δύο σηµεία εκατέρωθεν αγκύρωσης του καλωδίου. Εχει άνοιγµα περίπου 1170m και βρίσκεται περίπου 80m πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Η επόµενη εικόνα παρουσιάζει την επικρατούσα γεωλογία στην περιοχή θεµελίωσης.
Κεφάλαιο 12: Τεχνική γεωλογία και θεµελίωση γεφυρών 12.3 Η κοίτη του ποταµού αποτελείται από ιλύ µαζί µε ογκόλιθους µε πάχος που πιθανώς θα υπερβαίνει τα 130m, ενώ των στρωµάτων αυτών υπόκεινται το βραχώδες υπόβαθρο που αποτελείται από ψαµµίτες και αργιλικούς σχιστόλιθους, ασβεστόλιθους και σχιστόλιθους. Επειδή στην πλευρά της Νέας Υόρκης ο σχιστόλιθος παρουσιάζει σχιστότητα µε παρόµοια κλίση µε την κλίση της αγκύρωσης, δεν ήταν δυνατή η τοποθέτηση του καλωδίου στο βράχο, αλλά χτίστηκε ειδική κατασκευή από σκυρόδεµα όπου και έγινε η θεµελίωση. Στην πλευρά της Νέας Υερσέης η θεµελίωση του καλωδίου έγινε απευθείας πάνω στο διαβάση. 12.2.2 Γέφυρα San Francisco Oakland Bay O κόλπος του San Francisco δηµιουργήθηκε από αργή βύθιση (σε πρόσφατα γεωλογικά έτη) τµήµατος της ακτής της California. Η περιοχή πληρώθηκε από ιζήµατα (ιλύς έως λεπτόκοκκη άµµο). Το βραχώδες υπόβαθρο αποτελείται από ψαµµίτες, γραουβάκες, ιλυόλιθους, αργιλικούς σχιστόλιθους και σεπρεντίνες. Στην επόµενη εικόνα παρουσιάζεται η γεωλογική τοµή στη θέση της γέφυρας καθώς και ο τρόπος θεµελίωσης των ακρόβαθρων και µεσόβαθρων (µε κιβώτια και πασσάλους). Γεωλογική τοµή της γέφυρας San Francisco. (Από R. F. Leggett, Geology and Engineering, 1939)
Κεφάλαιο 12: Τεχνική γεωλογία και θεµελίωση γεφυρών 12.4 12.2.3 Yψηλή γέφυρα Χαλκίδας Η γέφυρα αποτελείται από τις γέφυρες πρόσβασης µε µήκος 143.5m στην πλευρά της Βοιωτίας και 156m στην πλευρά της Εύβοιας που έχουν µορφωθεί µε προκατασκευασµένες προεντεταµένες δοκούς διατοµής διπλού ταυ και επί τόπου σκυροδετούµενη εγκάρσια προεντεταµένη πλάκα κυκλοφορίας, ενώ η έδραση των δοκών στα βάθρα πραγµατοποιείται µε ελαστικά εφέδρανα. Το κεντρικό τµήµα της γέφυρας µε µήκος 395m είναι καλωδιωτό µε κεντρικό άνοιγµα 215m και πλευρικά 180m συνολικά. Το κατάστρωµα της γέφυρας έχει εγκάρσια προένταση και αναρτάται από δύο επίπεδα καλωδίων κάθε έξι µέτρα περίπου. Οι πυλώνες αποτελούνται από δίδυµους κιβωτιοειδούς διατοµής στύλους µε µεταβλητές διαστάσεις. Η θεµελίωση των πυλώνων προβλέπεται µε φρεατοπασσάλους Φ120 σε βάθος 30m στην πλευρά της Βοιωτικής ακτής και 15m στην πλευρά της Ευβοϊκής ακτής. Οι πυλώνες προστατεύονται µε ισχυρές λιθορριπές και ογκόλιθους από την πρόσκρουση των πλοίων. Γεωλογική τοµή γέφυρας Χαλκίδας (από Π. Μαρίνο)
Κεφάλαιο 12: Τεχνική γεωλογία και θεµελίωση γεφυρών 12.5 12.2.4 Καλωδιωτή γέφυρα Ρίου - Αντίρριου Η γέφυρα αποτελείται από: Μια καλωδιωτή γέφυρα µήκους 2.252 µέτρων µε τέσσερις πυλώνες. Τα ανοίγµατα έχουν µήκος 286 µέτρα, 560 µέτρα, 560 µέτρα, 560 µέτρα και 286 µέτρα. ύο γέφυρες πρόσβασης, µήκους 392 µέτρων στην πλευρά του Ρίου και 239 µέτρων στην πλευρά του Αντιρρίου. Επιπλέον χαρακτηρίζεται από ένα σπάνιο συνδυασµό δυσµενών συνθηκών: Το βάθος της θάλασσας φθάνει έως και 65 µέτρα Ο πυθµένας όπου έχουν θεµελιωθεί οι πυλώνες είναι µειωµένων αντοχών Η εγγύς καθώς και η ευρύτερη περιοχή εµφανίζει έντονη σεισµική δραστηριότητα και πιθανές τεκτονικές µετακινήσεις. Το ανάγλυφο του πυθµένα εµφανίζει απότοµες κλίσεις προς τις δύο ακτές και ένα µεγάλο οριζόντιο πλάτωµα σε βάθος περίπου 60 µέτρων κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας. Κατά τη διάρκεια των ερευνών δεν εντοπίσθηκε βραχώδες στρώµα σε βάθος έως και 100 µέτρων κάτω από τον πυθµένα. Σύµφωνα µε γεωλογικές µελέτες, το πάχος των ιζηµάτων, που αποτελούνται από παχιές αργιλικές στρώσεις αναµεµειγµένες σε ορισµένα σηµεία µε λεπτή άµµο και ιλύ, υπερβαίνει τα 500 µέτρα.
Κεφάλαιο 12: Τεχνική γεωλογία και θεµελίωση γεφυρών 12.6 Επεβλήθησαν αυστηρότατα σεισµικά φορτία µελέτης: µέγιστη επιτάχυνση εδάφους ίση προς 0,48 g και µέγιστη επιτάχυνση φάσµατος ίση προς 1,20 g µεταξύ 0,2 και 1,0 δευτερολέπτων. µία πιθανή µετατόπιση έως και 2 µέτρων µεταξύ δύο βάθρων, προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, οριζοντίως ή/και καθέτως, δεν θα δηµιουργεί ουσιαστικά προβλήµατα στη γέφυρα. Καθοριστική παράµετρος της µελέτης της γέφυρας υπήρξε o αντισεισµικός σχεδιασµός, παρά το ότι η γέφυρα πρέπει επίσης να αντέχει σε πρόσκρουση δεξαµενόπλοιου 180.000 τόνων που πλέει µε ταχύτητα 18 κόµβων, σε ισχυρότατους ανέµους και, φυσικά, σε διέλευση αυτοκινήτων και φορτηγών. Η κυριότερη ανησυχία προερχόταν από την πιθανότητα ανατροπής σε περίπτωση σεισµού. Μία ενδελεχής έρευνα έδειξε ότι η πλέον ικανοποιητική λύση συνίστατο σε µεγάλης έκτασης και µικρού βάθους θεµέλια, υπό την προϋπόθεση της ενίσχυσης του υπεδάφους του πυθµένα σε βάθος τουλάχιστον 20 µέτρων. Τούτο επιτυγχάνεται µε την κατασκευή πελµάτων διαµέτρου 90 µέτρων για τα βάθρα και µε την έµπηξη µεταλλικών σωλήνων (ενθεµάτων) στο υπέδαφος. Επίσης έγινε συστηµατική διερεύνηση συστηµάτων δοµικής µόνωσης προκειµένου να αµβλυνθούν οι σεισµικές δυνάµεις. Ενα από τα σηµαντικότερα αποτελέσµατά της και αναµφίβολα το πλέον καινοτόµο στοιχείο - σε συνδυασµό µε τους αποσβεστήρες του - είναι το πλήρως ανηρτηµένο συνεχές κατάστρωµα µήκους 2.252 µέτρων, που παρέχει σηµαντικά περιθώρια σχετικής µετατόπισης των διαδοχικών βάθρων
Κεφάλαιο 12: Τεχνική γεωλογία και θεµελίωση γεφυρών 12.7 Η άνω στρώση του υπεδάφους κάτω από τα θεµέλια των πυλώνων ενισχύεται µε ενθέµατα, τα οποία είναι κενοί χαλυβδοσωλήνες διαµέτρου 2 µέτρων και µήκους 25 έως 30 µέτρων που εµπήγνυνται σε αποστάσεις 7 µέτρων µεταξύ τους. Στη θέση των τριών από τα τέσσερα βάθρα τοποθετούνται 150 µε 200 τέτοιοι σωλήνες. Το τµήµα τους που προεξέχει από τον πυθµένα καλύπτεται από µια επιµεληµένα ισοπεδωµένη στρώση αµµοχάλικου, πάχους 3 µέτρων. Τα θεµέλια είναι θάλαµοι από οπλισµένο σκυρόδεµα µε διάµετρο 90 µέτρων, που εδράζονται στην στρώση του αµµοχάλικου. Το κάτω τµήµα του βάθρου αποτελείται από έναν κώνο, του οποίου η διάµετρος κυµαίνεται από 38 έως 26 µέτρα. 12.4 Γενικά τεχνικογεωλογικά γεωτεχνικά στοιχεία που αφορούν τη θεµελίωση γεφυρών Συνήθως για την προκαταρκτική µελέτη θεµελίωσης µιας γέφυρας και αφού έχουν προηγηθεί µελέτες υδρολογικές και υδραυλικές που καθορίζουν µέγιστη και ελάχιστη στάθµη νερού και ουσιαστικά την αναµενόµενη παροχή νερού, όπως και θέµατα µεταφοράς φερτών υλών, γίνονται ακολούθως γεωτρήσεις, συνήθως µία ανά βάθρο προκειµένου να δηµιουργεί µια όσο το δυνατό λεπτοµερής γεωτεχνική γεωλογική τοµή. Επιπροσθέτως δηµιουργείται και σε κατάλληλη κλίµακα λεπτοµερής γεωλογικός χάρτης της ευρύτερης περιοχής. Η γνώση των τεχνικογεωλογικών συνθηκών της περιοχής οδηγεί στην επιλογή του τύπου θεµελίωσης των βάθρων, επιφανειακή θεµελίωση ή πάσσαλοι που θα
Κεφάλαιο 12: Τεχνική γεωλογία και θεµελίωση γεφυρών 12.8 εδράζονται πάνω στο βραχώδες υπόβαθρο για ελαχιστοποίηση των µετακινήσεων. Ο ποταµός στα ψηλά τµήµατά του έχει πιο µικρό πλάτος, ενώ και η κοιλάδα που θα γεφυρωθεί έχει σχήµα V. Η κοίτη του έχει συνήθως µικρό πάχος αλλουβίων και συνήθως η θεµελίωση µπορεί να γίνει πάνω στο βραχώδες υπόβαθρο µε επιφανειακού τύπου θεµελίωση. Στα µεσαία τµήµατα το πλάτος του ποταµού αυξάνει και χονδρόκοκκα υλικά έχουν αποτεθεί στις όχθες του. Στα άκρα της κοιλάδας έχουν αναπτυχθεί στοιχειώδεις αναβαθµίδες και πάλι η θεµελίωση των ακρόβαθρων θα γίνει στο βραχώδες υπόβαθρο, ενώ το µεσόβαθρο θεµελιώνεται µέσα στην κοίτη µε τη χρήση πασσάλων. Τέλος στα χαµηλά τµήµατα του ποταµού όπου υπάρχει σηµαντικό πάχος αλλουβίων η θεµελίωση της γέφυρας, τόσο στην περιοχή των ακροβάθρων, όσο και στην περιοχή των µεσόβαθρων γίνεται µε πασσάλους. Οι πάσσαλοι µπορεί να είναι αιχµής αν το βραχώδες υπόβαθρο ή πυκνοί ή στιφροί εδαφικοί σχηµατισµοί αναπτύσσονται σε σχετικά µικρό βάθος από την επιφάνεια, αλλά αν το βραχώδες υπόβαθρο είναι βαθιά τότε οι πάσσαλοι είναι πάσσαλοι τριβής.