Η επίδραση της χρονικά μεταβαλλόμενης ταχύτητας διάτμησης στην παραμένουσα αντοχή του εδάφους
Authors: Κάτσιος Ευστάθιος 
Published: September 2024

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση της επίδρασης της χρονικά μεταβαλλόμενης ταχύτητας διάτμησης στην παραμένουσα αντοχή του εδάφους.Η παραμένουσα αντοχή αντιπροσωπεύει την ελάχιστη σταθερή τιμή της διατμητικής αντοχής του εδάφους σε μεγάλες μετατοπίσεις και χρησιμοποιείται για την επίλυση προβλημάτων μεγάλων μετακινήσεων στην Εδαφομηχανική όπως είναι η ευστάθεια πρανών, οι κατολισθήσεις και οι πάσσαλοι έμπηξης. Ειδικότερα, η γνώση της απαιτείται στην περίπτωση της ύπαρξης προϋπαρχουσών ζωνών διάτμησης στο έδαφος, οι οποίες οφείλονται σε μετακινήσεις εδαφικών μαζών, είτε λόγω παλαιότερων κατολισθήσεων, είτε λόγω τεκτονικών δυνάμεων, καθώς και στην περίπτωση εδαφών που παρουσιάζουν προοδευτική αστοχία.Σχεδόν όλες οι προηγηθείσες εργαστηριακές έρευνες σχετικά με την επίδραση της ταχύτητας διάτμησης στην παραμένουσα αντοχή του εδάφους έχουν δείξει ότι ενώ μικρές τιμές της ταχύτητας διάτμησης (ενδεικτικά μικρότερες από 1mm/min) δεν επηρεάζουν πρακτικά καθόλου την παραμένουσα αντοχή του, η επιβολή μεγάλων ταχυτήτων διάτμησης την επηρεάζει σημαντικά. Συγκεκριμένα, έχουν καθιερωθεί τρεις τύποι επίδρασης μεγάλων ταχυτήτων διάτμησης στην παραμένουσα αντοχή: θετική, ουδέτερη και αρνητική όταν παρατηρείται αύξηση, αμελητέα μεταβολή και μείωση της παραμένουσας αντοχής συγκριτικά με την βραδεία παραμένουσα αντοχή υπό συνθήκες πλήρους στράγγισης και μικρή ταχύτητα διάτμησης. Όλες οι έρευνες για την επίδραση της ταχύτητας διάτμησης στην παραμένουσα αντοχή του εδάφους αναφέρονται σχεδόν αποκλειστικά σε δοκιμές που έχουν γίνει υπό σταθερή στο χρόνο ταχύτητα διάτμησης, γεγονός που δεν συμφωνεί με την κινηματική των κατολισθήσεων στη φύση, οι οποίες παρουσιάζουν φάσεις επιταχυνόμενης, σταθερής και επιβραδυνόμενης ταχύτητας. Υπάρχουν όμως ενδείξεις από σχετικά πρόσφατη έρευνα ότι για τα εδάφη με αρνητική συμπεριφορά κατά την ταχεία διάτμηση, η συμπεριφορά αυτή ενδεχομένως να εξαρτάται όχι μόνο από την ταχύτητα διάτμησης, αλλά και από την αρχική μεταβολή της με το χρόνο, την επιτάχυνση (Παπαδόπουλος, 2014). Για την ορθολογική κατά συνέπεια ανάλυση της κινηματικής των κατολισθήσεων, απαιτείται η γνώση της επίδρασης τόσο της ταχύτητας διάτμησης, όσο και της επιτάχυνσης στην παραμένουσα αντοχή του εδάφους. Για τη διερεύνηση της επίδρασης αυτής πραγματοποιήθηκε εργαστηριακή έρευνα, κυρίως με δοκιμές διάτμησης εδαφικού δακτυλίου, σε φυσικά εδάφη και τεχνητά μείγματα στα πλαίσια της διατριβής. Η διατριβή αποτελείται από οκτώ κεφάλαια και τέσσερα παραρτήματα.Το Πρώτο Κεφάλαιο αποτελεί την εισαγωγή της διατριβής στην οποία παρατίθενται το αντικείμενο και ο σκοπός της, καθώς και η οργάνωση της δομής της.Στο Δεύτερο Κεφάλαιο πραγματοποιείται μία βιβλιογραφική ανασκόπηση όσον αφορά την ενεργοποίηση της παραμένουσας αντοχής, τους μηχανισμούς διάτμησης κατά την παραμένουσα κατάσταση, καθώς και την επίδραση της ταχύτητας διάτμησης και της επιτάχυνσης στην παραμένουσα αντοχή των εδαφών. Στο Τρίτο Κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά η συσκευή διάτμησης δακτυλίου του ΕΕΘ-ΓΣΜ και οι αρχές λειτουργίας της. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται τα συστήματα τοποθέτησης και εγκιβωτισμού, μέτρησης της διατμητικής δύναμης, μετάδοσης της κίνησης, μέτρησης και καταγραφής των δεδομένων της συσκευή διάτμησης δακτυλίου. Στη συνέχεια περιγράφονται η διαδικασία προετοιμασίας των μελετηθέντων δειγμάτων, η διαδικασία των δοκιμών, καθώς και η μέθοδος υπολογισμού και παρουσίασης των αποτελεσμάτων. Σύμφωνα με την τυπική διαδικασία των δοκιμών διάτμησης δακτυλίου, μετά την ενεργοποίηση της βραδείας παραμένουσας αντοχής σε συνθήκες πλήρους στράγγισης, το δοκίμιο αποφορτίζεται από τη διατμητική τάση και στη συνέχεια υποβάλλεται σε μια ακολουθία εναλλασσόμενων φάσεων ταχείας και βραδείας διάτμησης. Για τη μελέτη της επίδρασης της επιτάχυνσης και της ταχύτητας διάτμησης στην παραμένουσα χρησιμοποιήθηκαν τρεις τύποι χρονοϊστοριών διάτμησης: Ι (≤10mm/min, tac≥0.15s) ΙΙ1 (>10mm/min, tac=0.15s) και ΙΙ2 (>10mm/min, tac>0.15s). Στον τύπο ΙΙ1 η ταχύτητα αυξάνεται με σταθερή επιτάχυνση μέχρι την ονομαστική τιμή της σε χρόνο tac=0.15s που είναι και ο μικρότερος επιτρεπτός χρόνος με τον εγκατεστημένο σερβοκινήτήρα μετάδοσης της κίνησης, ενώ στον τύπο ΙΙ2 με χρόνο επιτάχυνσης tac>0.15s. Ακολούθως, παρουσιάζονται η διαδικασία των δοκιμών άμεσης διάτμησης, οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν στις δοκιμές κατάταξης των μελετηθέντων εδαφών. Τέλος, περιγράφονται οι μέθοδοι παρατήρησης μελέτης της μικροδομής της ζώνης διάτμησης τους (παρατήρηση λεπτών τομών με χρήση κάμερας και με οπτικό μικροσκόπιο, ανάλυση της μικροδομής και παρατήρησή της μέσω ηλεκτρονικής μικροσκόπιας σάρωσης, SEM, διεξαγωγή δοκιμών ποροσιμετρίας και παρατήρηση της μικροδομής σε τρεις διαστάσεις με χρήση μικρο-υπολογιστικής τομογραφίας ακτίνων-Χ, microCT). Οι βαθμονομήσεις της συσκευής διάτμησης δακτυλίου, το σύστημα μετάδοσης της κίνησης, καθώς και η διερεύνηση της επίδρασης πιθανών λαθών στον υπολογισμό των αποτελεσμάτων παρουσιάζονται στο Παράρτημα Α.Στο Τέταρτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα μελετηθέντα εδάφη και το πρόγραμμα εργαστηριακών δοκιμών που ακολουθήθηκε στις δοκιμές διάτμησης δακτυλίου και άμεσης διάτμησης. Χρησιμοποιήθηκαν ένα δείγμα φυσικού εδάφους, φλύσχη, μια καθαρή άμμος (Μ31), μπεντονίτης και τρία τεχνητά μείγματα, προκειμένου να μελετηθεί η επίδραση της ταχύτητας διάτμησης και επιτάχυνσης σε εδάφη της ίδιας ορυκτολογικής σύστασης, αλλά διαφορετικών φυσικών χαρακτηριστικών. Τα τεχνητά μείγματα παρασκευάσθηκαν με ανάμειξη ενός χονδρόκοκκου (Χ) και ενός λεπτόκοκκου (Λ) κλάσματος, έτσι ώστε τα προκύπτοντα μείγματα να είναι καλώς διαβαθμισμένα, όπως συνήθως είναι τα φυσικά εδάφη. Το χονδρόκοκκο (Χ) κλάσμα ήταν μείγμα της άμμου (Μ31) και μιας ιλυώδους άμμου (D6) σε ποσοστά κατά βάρος 20% και 80% αντίστοιχα. Το λεπτόκοκκο (Λ) κλάσμα ήταν μείγμα καολίνη και μπεντονίτη σε ποσοστά κατά βάρος 30% και 70% αντίστοιχα. Μελετήθηκαν τρία τεχνητά μείγματα με ποσοστά κατά βάρος του χονδρόκοκκου (Χ) προς το λεπτόκοκκο (Λ) κλάσμα (Χ/Λ): 70/30, 40/60 και 0/100. Με τα δείγματα αυτά διεξήχθησαν συνολικά εικοσιεπτά δοκιμές διάτμησης δακτυλίου. Οι δοκιμές ήταν εναλλασσόμενων φάσεων ταχείας και βραδείας διάτμησης σε ονομαστική ορθή τάση κυμαινόμενη από 120 kPa έως 480kΡa. Οι φάσεις ταχείας διάτμησης (χρονοϊστορίες Ι και ΙΙ1 με tac=0.15s) έγιναν σε διαφορετικές ταχύτητες προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση της ταχύτητας διάτμησης στην παραμένουσα αντοχής τους. Επίσης διεξήχθησαν φάσεις ταχείας διάτμησης με ίδια τελική ονομαστική ταχύτητα και διαφορετική επιτάχυνση για να διερευνηθεί ο ρόλος της επιτάχυνσης στην παραμένουσα αντοχή (χρονοϊστορίες Ι και ΙΙ2 με tac>0.15s). Η επίδραση της επιτάχυνσης στις φάσεις ταχείας διάτμησης μελετήθηκε στο φλύσχη και στα τεχνητά μείγματα 70/30 και 40/60. Στο τέλος του κεφαλαίου αυτού παρατίθεται επίσης το πρόγραμμα των δοκιμών άμεσης διάτμησης για τον προσδιορισμό της κρίσιμης αντοχής των μελετηθέντων δειγμάτων.Στο Πέμπτο Κεφάλαιο (και συμπληρωματικά στα Παραρτήματα Β, Γ και Δ) παρουσιάζεται η ανάλυση των αποτελεσμάτων των δοκιμών διάτμησης δακτυλίου και άμεσης διάτμησης. Aρχικά, για κάθε μελετηθέν έδαφος παρουσιάζεται ο προσδιορισμός του μηχανισμού διάτμησης στην παραμένουσα κατάσταση, η μεταβολή του συντελεστή τριβής στη παραμένουσα κατάσταση με την ορθή τάση και οι περιβάλλουσες της παραμένουσας και κρίσιμης αντοχής κατά τη βραδεία διάτμηση. Ακολούθως, παρατίθενται τα αποτελέσματα των δοκιμών όσον αφορά την επίδραση της ταχύτητας διάτμησης και της επιτάχυνσης στην παραμένουσα αντοχή των εδαφών. Αναλυτικότερα, παρουσιάζεται η μεταβολή των χαρακτηριστικών αντοχών των εδαφών κατά την ταχεία διάτμηση με τη στιγμιαία ταχύτητα: της ταχείας άμεσης, της ταχείας μέγιστης και της ταχείας παραμένουσας αντοχής, καθώς και η μεταβολή της βραδείας μέγιστης αντοχής που ενεργοποιείται κατά την επανέναρξη της βραδείας διάτμησης μετά την ταχεία διάτμηση και τη στερεοποίηση των δοκιμίων. Τα αποτελέσματα αυτά παρουσιάζονται σε διάφορα επίπεδα της ορθής τάσης (από 117 kPa έως 437kPa). Επιπροσθέτως, για τα τέχνητα μείγματα 70/30 και 40/60 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μελέτης της μικροδομής τους, με τις μεθόδους που αναφέρονται στο τρίτο κεφάλαιο.Στο Έκτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των δοκιμών διάτμησης δακτυλίου και άμεσης διάτμησης αναφορικά με τη βραδεία παραμένουσα (στην ταχύτητα διάτμησης 0.01mm/min), την ταχεία άμεση, την ταχεία μέγιστη, την ταχεία παραμένουσα και τη βραδεία μέγιστη αντοχή μετά την ταχεία διάτμηση. Επιπροσθέτως, για κάθε αντοχή ξεχωριστά επισημαίνονται οι παράγοντες επίδρασής τους. Για τη βραδεία παραμένουσα αντοχή οι παράμετροι αυτές είναι η ενεργός ορθή τάση, η ορυκτολογική σύσταση, η κοκκομετρική διαβάθμιση και τα φυσικά χαρακτηριστικά (όρια Atterberg) των εδαφών. Για την ταχεία άμεση και ταχεία μέγιστη αντοχή οι παράμετροι αυτοί είναι η στιγμιαία ταχύτητα και το επίπεδο της ορθής τάσης Οι κυριότερες παράμετροι που επηρεάζουν την ταχεία παραμένουσα αντοχή των ζωνών διάτμησης των μελετηθέντων δειγμάτων είναι η ταχύτητα διάτμησης, η επιτάχυνση μέχρι την ενεργοποίηση της μέγιστης ονομαστικής ταχύτητας κατά την ταχεία διάτμηση και η δυνατότητα εισρόφησης νερού κατά την ταχεία διάτμηση.Με δεδομένη τη δυνατότητα εισρόφησης νερού στη ζώνη διάτμησης, παρατηρήθηκαν τρεις τύποι, Α, Β και Γ, μεταβολής του κανονικοποιημένου συντελεστή τριβής της ταχείας παραμένουσας αντοχής, (τd/σn)d/(τr/σ΄n)0.01, με την ταχύτητα διάτμησης για τα μελετηθέντα εδάφη (Χρονοϊστορία Ι και ΙΙ1, tac=0.15s).-Τύπος Α: η τd είναι είτε σταθερή και ίση με την τr για μικρές και μεσαίες ταχύτητες διάτμησης, είτε παρουσιάζει μικρή απομείωση (έως 20%) συγκριτικά με την βραδεία παραμένουσα αντοχή για ταχύτητα μεγαλύτερη από 100mm/min και έως 2500mm/min. -Τύπος Β: η τd παρουσιάζει μικρή απομείωση (έως 20%) συγκριτικά με την τr, αλλά για μεγαλύτερο εύρος ταχυτήτων σε σχέση με τον τύπο Α και συγκεκριμένα από 0.01mm/min και έως 2500mm/min.-Τύπος Γ: η τd αρχικώς έως μια κρίσιμη ταχύτητα διάτμησης (Περιοχή 1) είναι είτε σταθερή και ίση με την τr (Γ1), είτε ελαφρώς μικρότερη (έως 20%) από την τr (Γ2), είτε μεγαλύτερη (έως 20%) από την τr (Γ3). Για ταχύτητες μεγαλύτερες από την κρίσιμη, η τd παρουσιάζει σημαντική απομείωση σε επίπεδα αρκετά χαμηλότερα της τr (Γ1 & Γ2, Περιοχή 2). Ο τύπος αυτός παρατηρήθηκε για εύρος ταχυτήτων από 0.01mm/min έως 2500mm/min. Οι τύποι Α και Β παρατηρήθηκαν στην άμμος Μ31, μη-πλαστικό έδαφος, και ο τύπος Γ στον φλύσχη, στα τεχνητά μείγματα, 70/60, 40/60 και 0/100 και στον μπεντονίτη, εδάφη με πλαστικότητα. Συγκεκριμένα, η άμμος Μ31 εμφάνισε τον τύπο Α σε υψηλή σχετικά σ΄n=427kPa, και τον τύπο Β για μικρότερες τιμές της σ΄n, 233kPa και 117kPa.Η επιτάχυνση έχει πρακτικά αμελητέα επίδραση στην μεταβολή του κανονικοποιημένου συντελεστή τριβής στην ταχεία παραμένουσα κατάσταση, όπως και στη μεταβολή ύψους του δοκιμίου κατά την ταχεία διάτμηση στην Περιοχή 1 του τύπου Γ για το μελετηθέν έδαφος (δείγμα ΑΚ-Α φλύσχη).Αντιθέτως, η επίδραση της επιτάχυνσης στη Περιοχή 2 του τύπου Γ είναι ιδιαίτερα μεγάλη και καθοριστικής σημασίας. Ειδικότερα, για τα μελετηθέντα εδάφη (φλύσχη, τεχνητό μείγμα 70/30), υπάρχει μια τιμή της κρίσιμης επιτάχυνσης πέραν της οποίας παρατηρείται η σημαντική απομείωση της τd πέραν της τr. Η τιμή της accrit εκτιμάται ότι είναι της τάξης των 2.22*10-2m/s2 και 3.22*10-7m/s2 για το φλύσχη (Δείγμα ΑΚ –Α) και το μείγμα 70/30 αντίστοιχα στην ορθή τάση των 233kPa. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν μείωση της τιμής της accrit με αυξανόμενη πλαστικότητα των εδαφών. Η σημαντική απομείωση της τd κάτω από το επίπεδο της τr, όταν η επιτάχυνση υπερβαίνει την accrit αποδίδεται στην αλλαγή της μικροδομής της ζώνης διάτμησης των εδαφών και ειδικότερα του μεγέθους και τύπου του πορώδους της.Στις φάσεις ταχείας διάτμησης που δεν υπήρχε δυνατότητα εισρόφησης νερού στη ζώνη διάτμησης, καμία έως σχετικά μικρή πτώση της ταχείας παραμένουσας αντοχής παρατηρήθηκε τόσο στην Περιοχή 1, όσο και στην Περιοχή 2 των ταχυτήτων, ακόμη και όταν η επιτάχυνση κατά την ταχεία διάτμηση είναι μεγαλύτερη από την προσδιορισθείσα κρίσιμη τιμή της στην Περιοχή 2.Συνοψίζοντας τα αποτελέσματα που παρουσιάσθηκαν στο παρόν και προηγούμενο εδάφιο για την τd, επιβεβαιώνεται ότι κατά την ταχεία διάτμηση προκαλείται διόγκωση της ζώνης διάτμησης ανεξαρτήτως της δυνατότητας ή όχι εισρόφησης νερού από το υδατόλουτρο. Η διόγκωση αυτή αυξάνει με αυξανόμενη ταχύτητα διάτμησης και επιτάχυνση και οφείλεται στην αύξηση του πορώδους και αλλαγή της μικροδομής της ζώνης διάτμησης κατά την ταχεία διάτμηση. Όπως υποδεικνύεται από τη μελέτη της μικροδομής των μελετηθέντων εδαφών, η μεταβολή αυτή του πορώδους της ζώνης διάτμησης είναι χωρικά ανομοιόμορφη και ενδεχομένως χρονικά μεταβαλλόμενη. Όταν η επιτάχυνση υπερβεί την accrit, η τάση αυτή διόγκωσης της ζώνης διάτμησης προσαυξάνει την υδατοαπορροφητικότητά της με αποτέλεσμα στην περίπτωση ύπαρξης νερού στο υδατόλουτρο, να εισρέει νερό εντός της ζώνης διάτμησης προκαλώντας την αύξηση της υγρασίας της και την απομείωση της τd.Στο Έβδομο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συµπεράσµατα της παρούσας διατριβής αναφορικά με τη βραδεία παραμένουσα, την ταχεία άμεση, την ταχεία μέγιστη, την ταχεία παραμένουσα και τη βραδεία μέγιστη αντοχή των μελετηθέντων εδαφών καθώς και η πρακτική εφαρµογή τους στη Γεωτεχνική Μηχανική. Στο Όγδοο Κεφάλαιο προτείνονται θέματα για μελλοντική έρευνα στο αντικείμενο της διατριβής.