Επίδραση της μικροδομής στη μηχανική συμπεριφορά των ψαμμιτών

Abstract

The aim of this thesis is the determination of the physical, mechanical and petrographic properties of sedimentary (clastic and chemical) intact rocks and the correlation between them. The research focused on sedimentary rocks, mainly clastic (submarine fans (Flysch) sandstones), Neogene Pleistocene sediments (coherent sand and silt) and chemical (limestones).An extensive program of laboratory tests of Rock Engineering was conducted at the Laboratory of Engineering Geology of the University of Patras, on selected sedimentary intact rocks obtained from 52 different sites of Greece. Physical and mechanical properties were determined, while the investigation was focused on strength parameters determination of intact rock and especially on uniaxial compressive strength (σci), as well as to the Hoek-Brown strength parameter mi which calculated through special triaxial compression tests. Triaxial tests were performed at each selected sampling site and always in accordance with the existing ISRM and ASTM standards.The results of the laboratory tests showed that the clastic sedimentary rocks present higher values of porosity, void index and void ratio, while the chemical sedimentary rocks showed the highest dry and saturated density. In addition, the clastic sediments rocks showed lower values at the sound velocities Vp and Vs compared to the chemical sedimentary rocks.Significant variation was recorded in the strength parameters (uniaxial compressive strength, point load index, SHV hardness) of the examined rocks, due to the different lithological composition and structure, matrix material, etc. Analysis of the petrographic parameters (structure and chemistry) and fabric parameters (morphology, mineral grain contacts and presence of pores) using scanning electron microscope (SEM) showed a strong interdependence between them and the strength of the rock material. The "constant" mi determined by triaxial tests showed a significant range of values for the two main rock categories. The calculated average values appear higher mainly for the sandstones compared to the literature suggested by Hoek (2007). The strong dispersion of the values in the same petrographic rock type showed that the “constant” mi depends on the petrographic characteristics of the material (grain interlocking, percentage of matrix material, etc.).In addition, the mineralogical composition and microstructure of the rocks (size, shape and interlocking of the grains) were determined by examining characteristic thin sections under a polarizing microscope. The microstructure of rock material was quantified through the calculation of internationally accepted petrographic indices, and specifically PD (Packing Density), GC (Grain Contact), GAR (Grain Area Ratio) and PCC (Consolidation Factor). The processing and statistical analysis of the laboratory results showed that there is a strong effect of "microstructure", as quantitatively described by the petrographic indices, on the values of the parameter mi, while this is not recorded for the uniaxial compressive strength (σci). The value of parameter mi increases with increasing grain size in the sandstones, while decreases with increasing matrix material. As a result, the fine - grained members of the clastic rocks (siltstones, clays, etc.) have lower values of the constant mi than the sandstones. Also, in clastic rocks, the "constant" mi increases with the increase in the value of petrographic indices, which seem to be the dominant factors in the configuration of its values. In contrast, in limestones it decreases significantly with the increase of sparitic material and this is opposite to those given by proposed values of Hoek (2007). These changes in the values of “constant” mi, result in a significant differentiation of the estimated mechanical parameters of the rock mass (strength, deformability), up to ± 50%, as shown by the comparative view of the Geological Index GSI in 52 research sites . This fact shows that the requirement for a reliable estimate of the “constant” mi is an important factor in proper design.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η διερεύνηση των φυσικών, μηχανικών και πετρογραφικών παραμέτρων του βραχώδους υλικού των ιζηματογενών πετρωμάτων και η διατύπωση της μεταξύ τους συσχέτισης. Η έρευνα εστιάστηκε σε κλαστικά ιζηματογενή πετρώματα, ψαμμίτες υποθαλάσσιων ριπιδίων (Φλύσχης), Νεογενή Πλειστοκαινικά ιζήματα (συνεκτική άμμος-ιλύς), καθώς και σε χημικά ιζήματα (ασβεστόλιθοι διαφόρου ηλικίας). Υλοποιήθηκε εκτεταμένο πρόγραμμα εργαστηριακών δοκιμών Βραχομηχανικής, στο Εργαστήριο Τεχνικής Γεωλογίας του Πανεπιστημίου Πατρών, σε δείγματα που λήφθηκαν από 52 επιλεγμένες θέσεις του Ελλαδικού χώρου. Προσδιορίστηκε το σύνολο των φυσικών, δυναμικών και μηχανικών παραμέτρων, ενώ η έρευνα εστιάστηκε στον καθορισμό των παραμέτρων αντοχής του βραχώδους υλικού και ειδικότερα στην αντοχή σε ανεμπόδιστη – μοναξονική θλίψη (σci), καθώς και στη «σταθερά» mi του κριτηρίου θραύσης Hoek – Brown, που υπολογίζεται μέσω ειδικών δοκιμών τριαξονικής φόρτισης. Οι δοκιμές αυτές εκτελέστηκαν στα δείγματα όλων των επιλεγμένων περιοχών έρευνας, μετά από κατάλληλη διαμόρφωσή τους και σύμφωνα πάντα με τους υφιστάμενους κανονισμούς ISRM και ASTM. Από τα αποτελέσματα των εργαστηριακών δοκιμών προέκυψε ότι τα κλαστικά ιζηματογενή πετρώματα παρουσιάζουν υψηλότερες τιμές πορώδους, δείκτη κενών και λόγου κενών, ενώ τα χημικά ιζηματογενή πετρώματα εμφάνισαν τη μεγαλύτερη ξηρή και κορεσμένη πυκνότητα. Επιπρόσθετα, τα κλαστικά ιζηματογενή εμφάνισαν χαμηλότερες τιμές στις ταχύτητες διάδοσης κυμάτων Vp και Vs σε σχέση με τα χημικά ιζηματογενή πετρώματα. Καταγράφηκε σημαντική διακύμανση, των παραμέτρων αντοχής (αντοχή σε μοναξονική θλίψη, δείκτης σημειακής φόρτισης, σκληρότητα SHV) των εξεταζόμενων πετρωμάτων, που οφείλεται στη διαφορετική λιθολογική σύσταση και δομή, το συνδετικό – υλικό πλήρωσης κ.λπ. Μέσω της ανάλυσης των πετρογραφικών παραμέτρων (δομή και χημισμός) και των ιστολογικών παραμέτρων (μορφολογία, σύνδεση των ορυκτών κόκκων και ύπαρξη πόρων) με χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM), φάνηκε ποιοτικά μια ισχυρή αλληλοεξάρτηση αυτών με την αντοχή του βραχώδους υλικού. Η «σταθερά» mi που προσδιορίστηκε από τριαξονικές δοκιμές παρουσίασε σημαντικό εύρος τιμών για τις δύο βασικές κατηγορίες πετρωμάτων. Οι μέσες τιμές που υπολογίστηκαν εμφανίζονται αυξημένες κυρίως για τους ψαμμίτες και τους μικριτικούς ασβεστόλιθους σε σχέση με τις βιβλιογραφικά προτεινόμενες από τον Hoek (2007). Η έντονη διασπορά των τιμών στον ίδιο πετρογραφικό τύπο έδειξε ότι η «σταθερά» mi εξαρτάται από τα πετρογραφικά χαρακτηριστικά του υλικού (αλληλοσύνδεση των κόκκων, ποσοστό υλικού πλήρωσης κ.λπ.). Παράλληλα, προσδιορίστηκε η ορυκτολογική σύσταση και η μικροδομή των πετρωμάτων (μέγεθος, σχήμα και αλληλοσύνδεση των κόκκων) με την εξέταση χαρακτηριστικών λεπτών τομών σε πολωτικό μικροσκόπιο. Η μικροδομή (microstructure) του βραχώδους υλικού αποδόθηκε ποσοτικά μέσω του υπολογισμού διεθνώς αποδεκτών πετρογραφικών δεικτών και συγκεκριμένα των δεικτών PD (Packing Density), GC (Grain Contact), GAR (Grain Area Ratio) και PCC (Consolidation Factor). Η επεξεργασία και στατιστική ανάλυση των εργαστηριακών αποτελεσμάτων έδειξε ότι υπάρχει ισχυρή επίδραση της «μικροδομής», όπως περιγράφεται ποσοτικά από τους πετρογραφικούς δείκτες, στις τιμές της παραμέτρου mi, ενώ κάτι τέτοιο δεν καταγράφεται για την αντοχή σε ανεμπόδιστη – μοναξονική θλίψη (σci). Η τιμή της παραμέτρου mi αυξάνεται με την αύξηση του μεγέθους των κόκκων στους ψαμμίτες, ενώ μειώνεται με την αύξηση του συνδετικού υλικού πλήρωσης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, τα λεπτόκοκκα μέλη των κλαστικών ιζηματογενών πετρωμάτων (ιλυόλιθοι, αργιλόλιθοι κ.λπ.) να παρουσιάζουν χαμηλότερες τιμές της «σταθεράς» mi από τους ψαμμίτες. Επίσης, στα κλαστικά ιζηματογενή πετρώματα η «σταθερά» mi αυξάνεται με την αύξηση της τιμής των πετρογραφικών δεικτών και ως εκ τούτου ότι οι δείκτες αυτοί αποτελούν τους κυρίαρχους παράγοντες στη διαμόρφωση των τιμών της. Αντίθετα, στους ασβεστόλιθους μειώνεται σημαντικά με την αύξηση του σπαριτικού υλικού γεγονός που έρχεται σε αντίθεση με τις προτεινόμενες τιμές του Hoek (2007). Οι μεταβολές αυτές στις τιμές της «σταθεράς» mi, έχουν σαν αποτέλεσμα τη σημαντική διαφοροποίηση των εκτιμούμενων μηχανικών παραμέτρων της βραχομάζας (αντοχή, παραμορφωσιμότητα), μέχρι και ±50%, όπως προκύπτει από τη συγκριτική θεώρηση του Γεωλογικού Δείκτη Αντοχής GSI στις 52 θέσεις έρευνας. Το γεγονός αυτό δείχνει ότι η απαίτηση για μια αξιόπιστη εκτίμηση της σταθεράς mi είναι σημαντικός παράγοντας στο σωστό σχεδιασμό.