Γεωτεχνική διερεύνηση μολασσικών σχηματισμών της λεκάνης των Γρεβενών

Abstract

The shear strength of geological materials is of great importance for the mechanical behavior of geological formations within the framework of construction of technical works. In the case of rock formations, this behavior depends on both the mechanical characteristics of the intact rock material and the orientation and the geometric and mechanical characteristics of the discontinuities. The shear resistance of intact rock materials is best examined by triaxial compression testing, while the shear resistance along discontinuities is determined by direct shear testing. The aim of the thesis is the geotechnical investigation of three rock types from the molassing formations of Grevena basin and two characteristic rocks from its western border with Pindos mountain (ophiolite complex). The focus of the thesis is on the study of the shear strength parameters through triaxial testing of intact rock material and direct shear testing along artificial and natural discontinuities. We conducted two series of laboratory tests: one covering the mechanical behavior in triaxial compression of selected types of intact rocks and the second one covering the shear behavior of artificial and natural discontinuities of the same rocks. Five different rock types from the study area were investigated, including three types of sandstone, one limestone and one serpentinite. Triaxial test series were performed, the shear strength parameters were determined and the behavior of the materials was examined, especially at the highest confining pressures, where the sample gradually changes its behavior from brittle to ductile. Another series of direct shear tests on artificial and natural discontinuities of the same rock types, was performed under constant normal load conditions. Particular emphasis was placed on the detailed recording of the dilation of the specimen during shearing and the dilation component of shear strength was accurately determined. The real area of contact between the two walls of discontinuities was determined for all direct shear tests, using ImageJ, a public domain processing and analysis program, and the value of the real normal stress developed on the contact spots was estimated. From the correlation between the real normal stress at peak and the brittle-ductile transition pressure of intact specimens, as determined from the triaxial compression tests, useful conclusions have been drawn for the interpretation of the values of shear strength parameters with the two types of laboratory tests. The results provide an interpretation of the shearing mechanism of discontinuities, the role of dilation, and their relationship to the triaxial strength of intact rock in the brittle-ductile transition.

Η αντοχή σε διάτμηση των γεωυλικών είναι καθοριστικής σημασίας για τη μηχανική συμπεριφορά των γεωλογικών σχηματισμών στα πλαίσια κατασκευής τεχνικών έργων. Στην περίπτωση των βραχωδών σχηματισμών η συμπεριφορά αυτή εξαρτάται τόσο από τα μηχανικά χαρακτηριστικά του άρρηκτου πετρώματος όσο και από τη διάταξη και τα γεωμετρικά και μηχανικά χαρακτηριστικά των ασυνεχειών. Η διατμητική αντίσταση άρρηκτων βραχωδών υλικών εξετάζεται πληρέστερα με τη βοήθεια της δοκιμής τριαξονικής θλίψης ενώ η διατμητική αντίσταση κατά μήκος ασυνεχειών προσδιορίζεται με τη δοκιμή άμεσης διάτμησης. Σκοπό της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η γεωτεχνική διερεύνηση μολασσικών σχηματισμών της λεκάνης των Γρεβενών και χαρακτηριστικών πετρωμάτων από τις παρυφές της λεκάνης στα όρια της Πίνδου (οφιολιθικό σύμπλεγμα), με εστίαση στη διερεύνηση των παραμέτρων διατμητικής αντοχής μέσω δοκιμών τριαξονικής θλίψης άρρηκτου υλικού και δοκιμών άμεσης διάτμησης κατά μήκος τεχνητών και φυσικών ασυνεχειών. Πραγματοποιήθηκαν δυο σειρές εργαστηριακών δοκιμών, που η μία καλύπτει τη μηχανική συμπεριφορά σε τριαξονική θλίψη επιλεγμένων τύπων άρρηκτων πετρωμάτων και η δεύτερη τη μηχανική συμπεριφορά τεχνητών και φυσικών ασυνεχειών των ιδίων πετρωμάτων. Εξετάστηκαν πέντε διαφορετικοί τύποι πετρωμάτων της περιοχής μελέτης, στους οποίους περιλαμβάνονται ψαμμίτης (3 τύποι), ασβεστόλιθος και σερπεντινίτης. Πραγματοποιήθηκαν σειρές δοκιμών σε τριαξονική θλίψη και προσδιορίστηκαν οι παράμετροι διατμητικής αντοχής, και εξετάστηκε η συμπεριφορά των υλικών, ιδιαίτερα στις υψηλότερες τιμές πλευρικής πίεσης, κατά τις οποίες το δοκίμιο μεταβάλλει σταδιακά τη συμπεριφορά του από ψαθυρή σε όλκιμη. Στους ίδιους τύπους πετρωμάτων, πραγματοποιήθηκαν σειρές δοκιμών άμεσης διάτμησης σταθερής ορθής τάσης, σε τεχνητές και φυσικές ασυνέχειες. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην λεπτομερή καταγραφή της διαστολής του δοκιμίου, με τη βοήθεια της οποίας έγινε ανάλυση της διατμητικής αντοχής σε συνιστώσα τριβής και συνιστώσα διαστολής λόγω τραχύτητας. Επίσης, με τη βοήθεια λογισμικού επεξεργασίας εικόνας, πραγματοποιήθηκε προσδιορισμός των πραγματικών επιφανειών επαφής των δύο τοιχωμάτων των ασυνεχειών, και εκτιμήθηκε η τιμή της επ’ αυτών αναπτυσσόμενης πραγματικής ορθής τάσης. Από τη συσχέτιση της τιμής αυτής της τάσης με της τάσης που αντιστοιχεί στην μετάβαση από ψαθυρή σε όλκιμη συμπεριφορά κατά την τριαξονική θλίψη του άρρηκτου πετρώματος, προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα για την ερμηνεία των τιμών των παραμέτρων διατμητικής αντοχής με τους δυο τύπους εργαστηριακών δοκιμών. Τα αποτελέσματα δίνουν ερμηνεία στο μηχανισμό της διάτμησης των ασυνεχειών, στο ρόλο της διαστολής και στη σχέση τους με την τριαξονική αντοχή του άρρηκτου πετρώματος στη μεταβατική περιοχή που αυτό αλλάζει συμπεριφορά από ψαθυρή σε όλκιμη.