Επίδραση της μικροδομής στη μηχανική συμπεριφορά των ψαμμιτών
Authors: Κτενά Στέλλα 
Published: September 2021

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.