Σεισμική καταπόνηση Χ.Υ.Τ.Α.: μηχανισμοί αστοχίας και μέθοδοι ενίσχυσης

Abstract

Seismic design of Municipal Solid Waste (MSW) landfills is of extreme importance not only due to the undesirable consequences related to a potential failure, but also due to their special characteristics. Moreover this composite liner system, which is constructed in order to successfully isolate leachate from polluting the environment, may contain several soil-geosynthetic, and geosynthetic-geosynthetic interfaces. The shear strength of these interfaces is a crucial design parameter. For this purpose, this dissertation investigated the seismic distress of MSW landfills caused not only due to the development of permanent ground deformation resulting from a fault rupture, but also due to permanent displacements accumulated during the seismic wave propagation. Initially, parametric numerical analyses are performed in order to assess: (a) the propagation of a fault rupture through waste material and (b) the distress of the composite liner system. Furthermore, mitigation measures are proposed and their efficiency in preventing the development of the potential failure modes is examined. More specifically two main categories of mitigation measures are analyzed: (a) alternative configurations based on the two main components of the composite liner system, and (b) relief pad consisting of reinforced soil. Additionally, the dynamic response of MSW landfills is examined, taking also into account the mechanical properties of waste material and the excitation’s characteristics. The seismic stability is evaluated for two main failure wedges: (a) circular failure surface developed within the waste mass and (b) the entire waste mass where instability is provided along the low-shear-strength interface of the composite liner system. Moreover, it is shown that the critical mode of failure is not easily predetermined since it is a factor of the inertia response of the structure and the relative shear strength of the waste mass and the interface of the liner system. Finally, detailed numerical modeling is conducted, and the coupled response of MSW landfills is estimated. It is concluded that two potential failure types may develop at above-ground landfills, related to the seismic displacements along the base and the permanent axial deformation of the geomembrane. The characteristics of these two failure types are strongly influenced by the eigenperiod of the geostructure, the period of the excitation, the shear strength of the interface and the maximum applied acceleration.

Ο αντισεισμικός σχεδιασμός των Χώρων Υγειονομικής Ταφής Απορριμμάτων είναι ένα θέμα μείζονος σημασίας, όχι μόνον λόγω των πολλαπλών δυσμενών περιβαλλοντικών και κοινωνικών συνεπειών που συνεπάγεται το ενδεχόμενο αστοχίας τους, αλλά και λόγω των πολλαπλών ιδιαιτεροτήτων που τους χαρακτηρίζουν. Το σύνθετο σύστημα στεγάνωσής τους μάλιστα περιέχει αρκετές διεπιφάνειες γεωσυνθετικών-εδαφικών υλικών, των οποίων η διατμητική αντοχή είναι ένα καίριο ζήτημα κατά τον σχεδιασμό. Για τον λόγο αυτόν στην παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζεται η σεισμική καταπόνηση των Χ.Υ.Τ.Α. τόσο για την περίπτωση των μόνιμων επιβαλλόμενων παραμορφώσεων λόγω τεκτονικής διάρρηξης, όσο και για την περίπτωση μη μόνιμων εδαφικών παραμορφώσεων λόγω διέλευσης σεισμικών κυμάτων. Αρχικά ερευνάται με τη διεξαγωγή παραμετρικών αριθμητικών αναλύσεων με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, ο μηχανισμός διάδοσης της τεκτονικής διάρρηξης εντός του απορριμματικού υλικού και η καταπόνηση του συστήματος στεγάνωσης. Αφού κατηγοριοποιούνται οι τύποι βλαβών προτείνονται και αναλύονται μέτρα για την προστασία έναντι της εμφάνισής τους. Οι δύο περιπτώσεις που εξετάζονται είναι: (α) μέτρα προστασίας μέσω της ενίσχυσης του υφιστάμενου συστήματος στεγάνωσης και (β) η κατασκευή ενός γεωσυνθετικά οπλισμένου τεχνητού αναχώματος. Επιπλέον, ερευνάται η διδιάστατη δυναμική απόκριση των Χ.Υ.Τ.Α. εξετάζοντας την επίδραση των μηχανικών ιδιοτήτων του απορριμματικού υλικού και των χαρακτηριστικών της διέγερσης. Τα αποτελέσματα της παραμετρικής διερεύνησης αποτελούν την βάση για την αποτίμηση της σεισμικής ευστάθειας με την εφαρμογή της ασύζευκτης μεθόδου. Η σεισμική ευστάθεια εκτιμάται για την κυκλική επιφάνεια αστοχίας εντός του απορριμματικού όγκου και την επίπεδη επιφάνεια αστοχίας κατά μήκος του συστήματος στεγάνωσης. Εν συνεχεία, συγκρίνεται η απόκριση της γεωκατασκευής έναντι των δύο προαναφερθέντων βασικών μηχανισμών αστοχίας. Τέλος, με την εφαρμογή λεπτομερούς αριθμητικής προσομοίωσης της δυναμικής απόκρισης των Χ.Υ.Τ.Α., εκτιμάται η ευστάθεια κατά μήκος των διεπιφανειών χαμηλής διατμητικής αντοχής του συστήματος στεγάνωσης και η καταπόνηση στη γεωμεμβράνη. Η παραμετρική διερεύνηση συντελεί στον προσδιορισμό δύο μορφών αστοχίας, βάσει των σεισμικών μετακινήσεων και των αξονικών παραμορφώσεων στη γεωμεμβράνη. Αποδεικνύεται ότι η ανάπτυξη των μορφών αστοχίας εξαρτάται από την ιδιοπερίοδο της κατασκευής, την περίοδο της διέγερσης, τη διατμητική αντοχή της διεπιφάνειας και τη μέγιστη επιβαλλόμενη επιτάχυνση.