Προσδιορισμός μηχανικών παραμέτρων του βραχώδους υλικού και εφαρμογή αυτών στην εκτίμηση της αντοχής και παραμορφωσιμότητας της βραχομά...

Abstract

The aim of this thesis is the determination of the mechanical properties of intact rock and their application to the estimation of the strength and deformability of the rock mass. There has been made an attempt to set up the boundaries in rock material behavior and to formulate empirical correlations between rock material parameters. In the frame of the current research a data base has been developed in order to file all laboratory testing results that had been conducted before in Greece by the Laboratory of Engineering Geology in University of Patras as well as the Central Public Works Laboratory. There has been recorded a total number of 5885 entries which correspond to an equal amount of rock specimens subjected to laboratory tests of their physical and/or mechanical properties. The research was focused on triaxial tests of clastic and chemical sedimentary rock specimens as well as marble rock specimens. Clastic and chemical sedimentary rocks are known to be the most widespread rock formations in Western Greece and a lot of major constructions have been made on or within these formations. Block samples were collected from 62 different sites in Greece, in order to be investigated through laboratory testing procedures. After the cutting of the samples laboratory tests were conducted in 519 cylindrical specimens. From these sites 33 were in limestones (271 specimens), 22 in flysch formations (152 sandstone specimens and 24 siltstone specimens) and 7 in marbles (72 specimens). Laboratory core drill and saw machines were used to cut the samples and end faces were ground in order to provide cylindrical specimens in size, shape and ends geometries according to testing requirements. The execution of laboratory tests was in accordance with ISRM suggested methods (1981, 1986) and ASTM standards (D 2664 – 86, D 2938 – 86, D 2845 – 90, D 3967 – 92, D 3148 – 93). More specifically the following laboratory tests were conducted: • 476 tests for porosity n (%), ρd (kN/m3), ρsat (kN/m3), e and Iv. • 249 tests for sound velocities (Vp and Vs). • 336 SHV tests. • 120 point load tests. • 67 uniaxial compressive tests with determination of modulus of deformation E and Poisson ratio, ν (in 58 UCS tests). • 75 brazilian tests. • 62 triaxial tests for rock material constant mi determination. During the evaluation of the results of laboratory testing, 20 thin sections have been made corresponding to different samples, in order to provide all the information as far as the mineralogy and structure of the samples are concerned. Statistical analyses were used in order to evaluate the test results. The strength and deformability of the rock mass corresponding to 32 selected sites were estimated. The Geological Strength Index, GSI and the Disturbance Factor, D were estimated in each site and used as input parameters. The values of mi, also used as input parameters, were those estimated by triaxial testing in the laboratory. Additionally, in order to evaluate the impact of the mechanical parameters of intact rock to the estimation of the strength and deformability of the rock mass, rock mass parameters were estimated using the mi values proposed by relevant bibliographical references. As a result of the comparison between the two methods,the remarkable usefulness of the laboratory testing, as a means of preliminary design as well as the considerable impact of the mechanical parameters of the rock material to the strength and deformability of the rock mass have been pointed out

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η διερεύνηση των μηχανικών παραμέτρων του βραχώδους υλικού και η εφαρμογή αυτών στην εκτίμηση της αντοχής και παραμορφωσιμότητας της βραχομάζας. Προς την κατεύθυνση αυτή, έγινε οριοθέτηση της μηχανικής συμπεριφοράς του βραχώδους υλικού, διατύπωση συσχετίσεων μεταξύ των φυσικών και μηχανικών παραμέτρων του καθώς και ημιποσοτική εκτίμηση της επίδρασης της ορυκτολογικής σύστασης στη διαφοροποίηση της συμπεριφοράς τους. Η επεξεργασία των αποτελεσμάτων της έρευνας έγινε μέσω ενός «Σχεσιακού Συστήματος Διαχείρισης Φυσικών και Μηχανικών Παραμέτρων Γεωλογικών Υλικών» που σχεδιάστηκε και δημιουργήθηκε στα πλαίσια της Διατριβής. Η έρευνα εστιάστηκε σε ιζηματογενή πετρώματα, χημικά (ασβεστόλιθους) και κλαστικά (ψαμμίτες και ιλυόλιθοι του φλύσχη) που συναντώνται εκτεταμένα στη Δυτική Ελλάδα καθώς επίσης και σε μεταμορφωμένα πετρώματα (μάρμαρα). Η δειγματοληψία των ιζηματογενών πετρωμάτων επικεντρώθηκε στους σχηματισμούς που απαρτίζουν τις γεωτεκτονικές ζώνες των Εξωτερικών Ελληνίδων, οι οποίες καλύπτουν το δυτικό ήμισυ του Ελλαδικού χώρου και φιλοξενούν πλήθος τεχνικών έργων. Για τα μεταμορφωμένα, δείγματα μαρμάρων λήφθηκαν από λατομεία της Βόρειας Ελλάδας που περιλαμβάνονται στις ζώνες των Εσωτερικών Ελληνίδων. Συνολικά, στα πλαίσια της έρευνας λήφθηκαν βραχώδη τεμάχη από 62 θέσεις δειγματοληψίας από τα οποία διαμορφώθηκαν και εξετάστηκαν ως προς τις φυσικές, δυναμικές και μηχανικές τους ιδιότητες 519 δείγματα βραχώδους υλικού. Ειδικότερα πρόκειται για 33 θέσεις δειγματοληψίας σε ασβεστολιθικούς σχηματισμούς (271 δοκίμια), 22 θέσεις σε σχηματισμούς του φλύσχη (152 δοκίμια ψαμμίτη και 24 δοκίμια ιλυόλιθου) και 7 θέσεις σε μάρμαρα (72 δοκίμια). Για κάθε θέση δειγματοληψίας διαμορφώθηκαν, με εργαστηριακό αδαμαντοτρύπανο, αδαμαντοτροχό και συσκευή λείανσης, έξι δοκίμια για τον εργαστηριακό προσδιορισμό των φυσικών, των δυναμικών και των μηχανικών παραμέτρων του βραχώδους υλικού. Οι εργαστηριακές δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με τις προδιαγραφές της ISRM (1981), του ΥΠΕΧΩΔΕ (Ε102-84) καθώς και της ASTM (D 2664 – 86, D 2938 – 86, D 2845 – 90, D 3967 – 92, D 3148 – 93). Έτσι, συνολικά εκτελέστηκαν: • 476 δοκιμές προσδιορισμού του πορώδους n (%), ξηρής πυκνότητας ρd (kN/m3), κορεσμένης πυκνότητας ρsat (kN/m3), λόγου κενών e και δείκτη κενών Iv (%). • 249 δοκιμές προσδιορισμού της ταχύτητας διάδοσης των υπερήχων Vp και Vs (m/sec). • 336 δοκιμές προσδιορισμού της σκληρότητας SHV. • 120 δοκιμές προσδιορισμού του δείκτη σημειακής φόρτισης Is(50) (MPa). • 67 δοκιμές προσδιορισμού της αντοχής σε μοναξονική θλίψη σc (MPa) από τις οποίες οι 58 έγιναν με σύγχρονη μέτρηση των αξονικών και πλευρικών παραμορφώσεων για τον προσδιορισμό του μέτρου ελαστικότητας Ε και του λόγου Poisson ν. • 75 δοκιμές προσδιορισμού της αντοχής σε εφελκυσμό σt (MPa). • 62 τριαξονικές δοκιμές. Κατά την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των εργαστηριακών δοκιμών κρίθηκε σκόπιμη η προετοιμασία και παρατήρηση στο μικροσκόπιο 20 λεπτών τομών που προήλθαν από διαφορετικά δείγματα με σκοπό την καλύτερη πληροφόρηση σχετικά με την ορυκτολογική σύσταση και τη δομή των βραχωδών υλικών που εξετάστηκαν. Μετά το πέρας των εργαστηριακών δοκιμών τα αποτελέσματα αυτών συγκεντρώθηκαν και αξιολογήθηκαν. Ακολούθησε στατιστική επεξεργασία από την οποία προέκυψαν ιστογράμματα διακύμανσης των τιμών της κάθε παραμέτρου και οριοθετήθηκε η συμπεριφορά των βραχωδών υλικών που εξετάστηκαν. Επιπλέον, μεταξύ των διαφόρων παραμέτρων του βραχώδους υλικού σχεδιάστηκαν τα αντίστοιχα διαγράμματα συσχέτισης και προτάθηκαν εμπειρικές σχέσεις που συνδέουν αυτές. Επίσης, πολύ σημαντικές ποιοτικές και ημιποσοτικές εκτιμήσεις προέκυψαν από τη συσχέτιση των παραμέτρων αντοχής με την ορυκτολογική σύσταση των βραχωδών υλικών. Μετά την ολοκλήρωση των εργαστηριακών δοκιμών στα πλαίσια της παρούσας διατριβής οι παράμετροι αντοχής (αντοχή σε μοναξονική θλίψη και σταθερά mi) που υπολογίστηκαν για το βραχώδες υλικό χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση κυρίως της αντοχής της βραχομάζας. Για το σκοπό αυτό εκτιμήθηκε ο Γεωλογικός δείκτης Αντοχής, GSI, σε 32 συνολικά θέσεις και προσδιορίστηκαν με τη χρήση του προγράμματος Roclab οι παράμετροι αντοχής της βραχομάζας για τις θέσεις αυτές. Στη συνέχεια και για να διερευνηθεί η επίδραση της διακύμανσης των παραμέτρων του βραχώδους υλικού στη συμπεριφορά της βραχομάζας υπολογίστηκαν οι παράμετροι αντοχής και παραμορφωσιμότητάς της με βάση τις προτεινόμενες από τη βιβλιογραφία τιμές του mi και όχι αυτές που υπολογίστηκαν εργαστηριακά. Από τη σύγκριση των δύο αποτελεσμάτων προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με τη σημασία των εργαστηριακών δοκιμών αλλά και τη σημαντική επίδραση που έχουν οι ακριβείς τιμές των παραμέτρων του βραχώδους υλικού στην εκτίμηση της αντοχής της βραχομάζας.