Συσχέτιση παραμέτρων διατμητικής συμπεριφοράς ασυνεχειών και άρρηκτου πετρώματος
Authors: Τσικρίκης Αναστάσιος 
Published: November 2021

Η μηχανική συμπεριφορά της βραχόμαζας εξαρτάται τόσο από τα μηχανικά χαρακτηριστικά του άρρηκτου υλικού όσο και από τα μηχανικά χαρακτηριστικά των ασυνεχειών. Η συνηθέστερη εντατική κατάσταση της βραχόμαζας είναι η τριαξονική θλίψη και ως εκ τούτου η πλέον αξιόπιστη περιγραφή των μηχανικών χαρακτηριστικών του άρρηκτου πετρώματος επιτυγχάνεται μέσω εργαστηριακών δοκιμών τριαξονικής θλίψης. Από την άλλη πλευρά, η κατανόηση της μηχανικής συμπεριφοράς των επιφανειών των ασυνεχειών του πετρώματος μελετάται πληρέστερα μέσω δοκιμών άμεσης διάτμησης σε δείγματα των κρίσιμων ασυνεχειών της βραχόμαζας. Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της συσχέτισης των τιμών των παραμέτρων διατμητικής αντοχής ασυνεχειών πετρωμάτων και άρρηκτου πετρώματος. Η ερευνητική υπόθεση βασίζεται στη διαπίστωση ότι η αστοχία σε καταπόνηση τριαξονικής θλίψης πραγματοποιείται με διατμητική μορφή μέχρι το όριο ψαθυρής-όλκιμης συμπεριφοράς ενός άρρηκτου πετρώματος και επομένως οι παράμετροι διατμητικής αντοχής της προκύπτουσας επιφάνειας του πετρώματος κατά μήκος της οποίας πραγματοποιείται διατμητική μετακίνηση, σχετίζεται με τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά της διατμητικής αντοχής μιας προ-ρηγματωμένης επιφάνειας (ασυνέχειας) του ιδίου πετρώματος. Το πειραματικό μέρος της διατριβής πραγματοποιήθηκε μέσω της εκτέλεσης δυο ανεξάρτητων προγραμμάτων εργαστηριακών δοκιμών που περιλαμβάνουν μια σειρά δοκιμών άμεσης διάτμησης σε ασυνέχειες πετρωμάτων που προέκυψαν με εφελκυστική διάρρηξη ή με κάμψη και μία σειρά δοκιμών τριαξονικής θλίψης σε κυλινδρικά δοκίμια άρρηκτων δειγμάτων από τα ίδια πετρώματα. Στόχος είναι η καλύτερη κατανόηση και ερμηνεία του μηχανισμού διάτμησης στις δυο καταπονήσεις και η θεώρησή τους κάτω από το ίδιο πρίσμα, καθώς και η μαθηματική έκφραση προσδιορισμού της διατμητικής αντοχής. Η έκφραση αυτή βασίζεται κυρίως σε φυσικές ιδιότητες και παραμέτρους που επηρεάζουν την αστοχία στις δυο καταπονήσεις. Για την υλοποίηση του πειραματικού μέρους της διατριβής εξετάστηκαν δεκατέσσερα διαφορετικά πετρώματα στα οποία περιλαμβάνονται Ψαμμίτες (2), Γραουβάκης, Ιλυόλιθος, Ασβεστόλιθοι (2), Μάρμαρα (3), Αμφιβολίτης, Διορίτες (2), Γρανοδιορίτης και Μεταδολερίτης. Συνολικά, λήφθηκαν βραχώδη δείγματα από δεκατέσσερις διαφορετικές θέσεις δειγματοληψίας, από τα οποία διαμορφώθηκαν και εξετάστηκαν ως προς τις φυσικές, και μηχανικές τους ιδιότητες. Αναλυτικά, στο εργαστηριακό μέρος της διατριβής υλοποιήθηκαν: 141 δοκιμές προσδιορισμού πορώδους και ξηρής πυκνότητας, 29 δοκιμές μονοαξονικής θλίψης, 144 δοκιμές τριαξονικής θλίψης, 110 δοκιμές σημειακής φόρτισης, 125 δοκιμές έμμεσου εφελκυσμού, 439 δοκιμές σκληρότητας διείσδυσης Brinell, 488 δοκιμές άμεσης διάτμησης ασυνεχειών, 15 λεπτές τομές 15 περιθλασιογράμματα XRD. Για όλα τα εξεταζόμενα πετρώματα πραγματοποιήθηκαν δοκιμές τριαξονικής θλίψης σε πλευρικές πιέσεις 0-70 MPa με σκοπό τον προσδιορισμό των παραμέτρων διατμητικής αντοχής και ιδιαίτερα της σταθεράς mi του κριτηρίου Hoek-Brown. Επιπλέον, αναλύθηκε η συμπεριφορά της αστοχίας με έμφαση στο όριο μεταξύ ψαθυρής και όλκιμης συμπεριφοράς καθώς αυτή η αστοχία αυτή σχετίζεται με τη μη-διαστολική γωνία τριβής. Στα ίδια πετρώματα, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές άμεσης διάτμησης υπό συνθήκες σταθερής ορθής τάσης στο εύρος 0-3 MPa, σε τεχνητές ασυνέχειες με συνολική ανηγμένη διατμητική μετατόπιση τουλάχιστον 5%. Σημαντική προσοχή δόθηκε στη λεπτομερή καταγραφή της διαστολής του δοκιμίου, με τη βοήθεια της οποίας διαχωρίστηκε η συνολική διατμητική αντοχή σε μια συνιστώσα τριβής (μη-διαστολική) και σε μια γεωμετρική συνιστώσα (διαστολή). Ιδιαίτερο τμήμα της έρευνας αποτέλεσε ο προσδιορισμός της σκληρότητας διείσδυσης με τη δοκιμή Brinell καθώς η εφαρμογή της στα εξετασθέντα πετρώματα συνεισφέρει στην κατανόηση και ερμηνεία της θεωρίας πρόσφυσης των υλικών. Τα κυριότερα ευρήματα της διατριβής συνοψίζονται στα ακόλουθα: α) Η τιμή του κρίσιμου λόγου της κύριας αξονικής τάσης προς την πλευρική πίεση που αντιστοιχεί στη μετάβαση από όλκιμη σε ψαθυρή συμπεριφορά εξαρτάται από την ορυκτολογική σύσταση των πετρωμάτων. Ειδικότερα, η μέση τιμή του λόγου αυτού προέκυψε ίση με 5,57 και 4,07 για τα ανθρακικά και τα πυριτικά πετρώματα αντίστοιχα, β) Η μέση τιμή του λόγου της πίεσης μετάβασης στην όλκιμη περιοχή προς την αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη είναι περισσότερο από τρεις φορές υψηλότερη για πυριτικά πετρώματα από ό,τι για ανθρακικά πετρώματα, γ) Οι τιμές της μη διαστολικής γωνίας τριβής που προκύπτουν από τις δοκιμές άμεσης διάτμησης ασυνεχειών πρακτικά ταυτίζονται με τις τιμές της γωνίας τριβής που προκύπτουν από την εντατική κατάσταση του άρρηκτου πετρώματος στη μετάβαση από την ψαθυρή στην όλκιμη συμπεριφορά, δ) Η σταθερά mi του κριτηρίου Hoek-Brown αυξάνεται γραμμικά με την τιμή της σκληρότητας διείσδυσης Brinell, ενώ αντίθετα μειώνεται γραμμικά με την τιμή της μη-διαστολικής γωνίας τριβής. Η σταθερά mi του κριτηρίου Hoek-Brown και η ανεμπόδιστη θλιπτική αντοχή αλληλεξαρτώνται από την πίεση μετάβασης στην όλκιμη περιοχή, ε) Η μη διαστολική γωνία τριβής μειώνεται γραμμικά με την τιμή της σκληρότητας. Οι παραπάνω συσχετίσεις αποτελούν τα καινοτόμα στοιχεία της παρούσας διατριβής. Τα αποτελέσματα της διατριβής, πιστεύεται ότι θα αποτελέσουν ένα χρήσιμο και πρακτικό εργαλείο στα χέρια των επιστημόνων που ασχολούνται με τη μελέτη τεχνικών έργων.