ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΓΕΩΦΥΣΙΚΗ KAI ΤΕΧΝΙΚΗ ΓΕΩΛΟΓΙΑ
APPLIED GEOPHYSICS AND ENGINEERING GEOLOGY Αντώνης Αγγελόπουλος Γεωλόγος–Γεωφυσικός ΕΥΔΑΠ Γιώργος Βαργεμέζης Γεωλόγος–Γεωφυσικός Λέκτορας Α.Π.Θ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η εφαρμοσμένη γεωφυσική στην μελέτη των γεωλογικών και γεωφυσικών χαρακτηριστικών του εδάφους για τον σχεδιασμό ,κατασκευή υποδομών και γενικά εφαρμογών σε έργα πολιτικού μηχανικού αποτελεί τμήμα της εφαρμοσμένης γεωλογίας χρησιμοποιώντας τις κατάλληλες μεθόδους και τεχνικές ανάλογα με το αντικείμενο. Η γεωφυσική χρησιμοποιεί μεθόδους και διαδικασίες βασισμένες στα επιτεύγματα της τεχνολογίας της φυσικής και της ηλεκτρονικής . Η εφαρμοσμένη γεωφυσική είναι γνωστή στην κοινότητα των τεχνικών που απασχολούνται σε έργα Πολιτικού Μηχανικού κυρίως μέσω των σεισμικών διάθλασης. Η μεγάλη πρόοδος που συντελέστηκε την τελευταία δεκαετία στην ανάπτυξη ελαφρού εξοπλισμού και αξιόπιστου λογισμικού κατάλληλου για PCs δίνει την δυνατότητα χρησιμοποίησης και άλλων μεθόδων όπως: Σεισμικών ανάκλασης υψηλής διακριτικότητας, ηλεκτρικών, ηλεκτρομαγνητικών, γεωραντάρ,SP κ.λ.π. Στη συνέχεια παρουσιάζονται συνοπτικά οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται συνηθέστερα, τα πεδία εφαρμογές των και παραδείγματα εφαρμογής από την εγχώρια και διεθνή πρακτική. Από τα παρουσιαζόμενα προκύπτει ότι εφόσον ξεπεραστούν προβλήματα επικοινωνίας των Γεωφυσικών με τους Μηχανικούς και Τεχνικούς Γεωλόγους είναι δυνατόν να προβλεφθούν πολλοί αστάθμητοι παράγοντες σε υπόγεια έργα. ABSTRACT Applied geophysics is known to the technical community mainly because of the use of seismic refraction method. Over the past decade all geophysical hardware has improved dramatically parallel to the development of friendly to the user software and now other techniques such as high resolution reflection seismic, georadar, electrical and electromagnetic, S.P., e.t.c. are available to the engineering investigations. The presentation of case histories from national and international experience demonstrate the important role of applied geophysics in geological engineering application .
1
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Πρέπει να τονισθεί εξ΄ αρχής ότι η χρησιμοποίηση της γεωφυσικής, παρ όλες τις δυνατότητες επίλυσης προβλημάτων που προσφέρει, εξαρτάται από το εάν ο Μηχανικός και ο Τεχνικός Γεωλόγος πιστεύουν ότι το αντικείμενο της μελέτης θα διερευνηθεί μέσω αυτής πιο αποτελεσματικά και οικονομικά απ ότι οι γεωτρήσεις είτε από την αδυναμία εφαρμογής των συμβατικών δοκιμών κατά περίπτωση. Είναι επίσης αναγκαίο να τονισθεί ότι υπάρχει ένας "τοίχος" που εμποδίζει την επικοινωνία των γεωφυσικών από τη μια και των μηχανικών και τεχνικών γεωλόγων από την άλλη. Κύρια αιτία του γεγονότος αυτού είναι η εκατέρωθεν καχυποψία και η έλλειψη κοινής τεχνικής ορολογίας. Οι μέθοδοι που συνήθως είναι γνωστές στην κοινότητα των τεχνικών είναι κύρια οι σεισμικές πλην όμως η πρόοδος που έχει επιτευχθεί στην βελτίωση του εξοπλισμού την εξέλιξη του λογισμικού και το μικρό κόστος των φορητών Η/Υ δίνει πλέον τη δυνατότητα χρησιμοποίησης και των άλλων μη ‘’συμβατικών γεωφυσικών μεθόδων’’ από την φαρέτρα της γεωφυσικής. Τα παραδείγματα που θα παρουσιαστούν θα συμβάλουν στην άρση των παραπάνω επιφυλάξεων και εμποδίων των εμπλεκομένων τεχνικών ειδικοτήτων σε τέτοιας φύσης έργα και θα αναδείξουν την δυνατότητα των μεθόδων της γεωφυσικής για πληρέστερη και οικονομικότερη επίλυση προβλημάτων της τεχνικής γεωλογίας . 1. ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΓΕΩΦΥΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ Είναι γνωστό ότι η γεωφυσική αξιοποιεί τις διαφορές των φυσικών ιδιοτήτων των γεωλογικών στρωμάτων διαφορετικής σύστασης είτε διαφορές μέσα στα ίδια που είναι αποτέλεσμα τεκτονισμού ή άλλων διεργασιών. Οι διαφορές αυτές συνίστανται σε μεταβολές: της διάδοσης των σεισμικών κυμάτων,της πυκνότητας, της μαγνητικής επιδεκτικότητας, της ειδικής αντίστασης, της επαγόμενης πόλωσης,της διηλεκτρικής σταθεράς ,της φυσικής ακτινοβολίας κ.λ.π. Παραθέτουμε συνοπτικά την αρχή λειτουργίας των γεωφυσικών μεθόδων. 2.
ΓΕΩΦΥΣΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΕ ΕΡΓΑ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ
Στην τεχνική γεωλογία και γενικότερα σε εφαρμογές έργων πολιτικού μηχανικού οι γεωφυσικές μέθοδοι μπορεί να αποβούν εξαιρετικά χρήσιμες. Οι τεχνικές των γεωφυσικών μεθόδων επιτρέπουν την διερεύνηση μεγάλων περιοχών του υπεδάφους αναδεικνύοντας την γεωμετρία των εδαφικών σχηματισμών και πετρωμάτων και χαρακτηρίζουν τα υλικά βάσει των φυσικομηχανικών τους παραμέτρων. Ανάλογα λοιπόν με την περίπτωση, δηλαδή την σχέση των στρωμάτων που δομούν κάθε περιοχή και το πρόβλημα που πρέπει να επιλυθεί χρησιμοποιούμε τις μεθόδους που παραθέτουμε στον πίνακα που ακολουθεί ΠΙΝΑΚΑΣ Ι. Στον πίνακα αυτό παρατίθεται επιπλέον και η βαθμολογία της κάθε γεωφυσικής μεθόδου (αριθμός αστερίσκων), ενώ στο κάτω μέρος το ενδεικτικό κόστος σε $/m2 για τις αρχές του 90 (KIM. FRANKOMBE 1990).
2
Στον ΠΙΝΑΚΑ ΙΙ παρουσιάζονται τα προβλήματα προς αντιμετώπιση και οι προτεινόμενες μέθοδοι η ο συνδυασμός των για θεμελιώσεις κτιριακών εγκαταστάσεων. Έγκειται πλέον στο γεωφυσικό που όντας εκπαιδευμένος, κύρια σε προβλήματα έρευνας να προσαρμοστεί με τα προβλήματα πολιτικού μηχανικού και να ανοίξει διόδους επικοινωνίας με τους πολιτικούς μηχανικούς και τους τεχνικούς γεωλόγους. Πράγμα που σημαίνει την ποσοτικοποίηση των αποτελεσμάτων και την παρουσίαση των σε μορφή όσον το δυνατόν πιο φιλική προς τον μη ειδικό αποδέκτη . Πρέπει ακόμα να ληφθεί υπ' όψη ότι σε περιοχές με πολύ μεγάλες δυσκολίες πρόσβασης πιθανόν να μην υπάρξει πλήρης επιτυχία. Επανερχόμενοι στην πιο διαδεδομένη γεωφυσική τεχνική, αυτή των σεισμικών μεθόδων, στην κατασκευαστική και μελετητική κοινότητα πρέπει να τονίσουμε ότι αυτό οφείλεται στο ότι προσφέρει αξιόπιστες λύσεις στην εκτίμηση των παραμορφωτικών ιδιοτήτων των εδαφών και των πετρωμάτων που είναι χρήσιμες για την πρόβλεψη των κινήσεων του εδάφους. Σημαντική πρόοδος έχει συντελεστεί τα τελευταία χρόνια στην κατανόηση της εντατικής – παραμορφωτικής συμπεριφοράς των γεωλικών που έκλεισε το κενό μεταξύ των στατικών και των πολύ μικρών δυναμικών μετρήσεων της δυσκαμψίας. Αποτέλεσμα η συνεχώς αυξανόμενη χρήση των σεισμικών μεθόδων για την μέτρηση του μέτρου ελαστικής παραμόρφωσης G. Οι σεισμικές μέθοδοι είναι επίσης ελκυστικές επειδή δεν επηρεάζονται από την διαταραχή των δειγμάτων και είναι ικανές να ‘’δειγματίσουν’’ έναν αντιπροσωπευτικό όγκο του εδάφους ακόμα και σε δύσκολα γεωλικά όπως κατακερματισμένα πετρώματα. Η διάδοση των σεισμικών κυμάτων (Vp) συμπιεστικών και (Vs) διατμητικών και τα επιφανειακά (Vr) Raleigh που ταξιδεύουν στο υπέδαφος σε βάθος ενός μήκους κύματος, σε ένα ισότροπο μέσο σχετίζονται με τον συντελεστή παραμόρφωσης μέσω των σχέσεων . Vs= √G/ρ G=E/2(1+ν) Vr=CVs Όπου C συντελεστής που εξαρτάται από τον λόγο Poisson ν που κυμαίνεται μεταξύ 0.911 και 0.955 και χαρακτηρίζει τα περισσότερα εδάφη και πετρώματα. Μέθοδοι όπως η Φασματική Ανάλυση των Επιφανειακών Κυμάτων (SASW) και η μέθοδος Συνεχών Επιφανειακών Κυμάτων (CSW) (Mattheous et all 1996) μας δίνουν αποτελέσματα του δυναμικού μέτρου ελαστικότητας G ως προς το βάθος ενώ συνδυασμός των επιφανειακών ,υπόγειων και μεταξύ γεωτρήσεων μετρήσεων μας δίνουν πλήρη εικόνα των γεωμετρικών αλλά και δυναμικών χαρακτηριστικών του υπεδάφους. Επιπλέον οι σεισμικές μέθοδοι βασισμένες στα επιφανειακά κύματα παρέχουν μια αποτελεσματική μέθοδο ελέγχου βελτίωσης (συμπύκνωσης) του υπεδάφους . Τα πλεονεκτήματα των γεωφυσικών μεθόδων όσον αφορά την αξιοποίηση των σεισμικών μεθόδων είναι εμφανή παρατηρώντας το διάγραμμα 3.19 όπου οι παραδοσιακές εργαστηριακές μέθοδοι αντιπροσωπεύουν τα κατώτερα όρια δυσκαμψίας ενώ οι εκτιμήσεις από τις γεωφυσικές έρευνες τα πραγματικά Mattheous et all 1996 . Αλλά πολλοί μηχανικοί αδυνατούν να πιστέψουν ότι η γεωφυσική επιτρέπει την μέτρηση της δυσκαμψίας σε πολύ χαμηλά εντατικά επίπεδα. 3
Ο συνδυασμός των γνωστών στην κοινότητα των μηχανικών σεισμικών με άλλες όπως της ηλεκτρικής τομογραφίας με παράλληλη μέτρηση της παραμέτρου της πόλωσης είναι εξίσου σημαντική . Με την μέθοδο της επαγόμενης πόλωσης μπορεί να διακρίνουμε τους διάφορους τύπους αργίλων μια και ο μοντμοριλονίτης παρουσιάζει υστέρηση στην εκφόρτιση κάτω από την επίδραση διακοπτόμενου ηλεκτρικού πεδίου πληροφορία εξίσου σημαντική για την in situ διάγνωση των χαρακτηριστικών του υπεδάφους μια και επιτρέπει τον εντοπισμό τέτοιων οριζόντων . Οι μικροβαρυτικές μετρήσεις μπορεί να δώσουν εξαιρετικά αποτελέσματα για τον εντοπισμό εγκοίλων ιδιαίτερα σε αστικό περιβάλλον. Οι μέθοδοι των διαγραφιών στις γεωτρήσεις είναι επίσης σημαντικές και προσφέρουν σημαντικές πληροφορίες για τις γεωμηχανικές ιδιότητες. Πιστεύουμε ακράδαντα ότι είναι χρέος των τεχνικών να διευρύνουν τη χρήση της γεωφυσικής θεωρώντας την σαν ένα ατό τα πολλά διαθέσιμα εργαλεία πρόβλεψης που δεν πρέπει να χρησιμοποιηθούν από μόνα τους. Ιδιαίτερα σε προβλήματα διάνοιξης πολλών σηράγγων όπου δεν υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις, πρέπει να χρησιμοποιηθεί οτιδήποτε μπορεί να βοηθήσει στην πρόβλεψη αστάθμητων παραγόντων κατά τη φάση της διάνοιξης. Η διερεύνηση λοιπόν της φύσης των πετρωμάτων στο επίπεδο διάνοιξης της σήραγγας εφόσον εμπλέκονται σχηματισμοί με διαφορετικές φυσικές ιδιότητες μπορεί να υλοποιηθεί. Ρήγματα και ζώνες τεκτονισμένες που έχουν αλλοιώσει την φύση των σχηματισμών μπορεί να εντοπιστούν. Ο βαθμός και το βάθος καρστικοποίησης ανθρακικών σχηματισμών εφόσον έχουν επιφανειακή εκδήλωση μπορεί να εκτιμηθεί. Διεισδύσεις ηφαιστειακών-μαγματικών σωμάτων μπορούν να χαρτογραφηθούν. Φυσικά έγκοιλα μπορούν να εντοπισθούν και να χαρτογραφηθούν. Θα πρέπει να τονισθεί ότι όσο πλησιέστερα στην επιφάνεια του εδάφους τοποθετείται το έργο τόσο μεγαλύτερη ανάλυση (Resolution) θα έχουμε με την γεωφυσική και αντίστροφα εάν το βάθος είναι μεγάλο. Μια άλλη επισήμανση, πολλές φορές είναι δυνατό, ιδιαίτερα όσον αφορά τις εφαρμογές στην τεχνική γεωλογία και στις θεμελιώσεις όπου συνήθως τα βάθη είναι σχετικά μικρά,να χρησιμοποιηθεί φτηνός εξοπλισμός για την διενέργεια γεωηλεκτρικών μετρήσεων είτε σε διάταξη βυθοσκοπήσεων η σε προφίλ είτε στη μέτρηση φυσικού δυναμικού. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί διάταξη συστοιχίας μπαταριών σε παράλληλη διάταξη πάνω από 100 Volt ενώ με ψηφιακά πολύμετρα μπορεί να καταγραφεί το εκπεμπόμενο ρεύμα και το λαμβανόμενο δυναμικό. Το λογισμικό για τις διατάξεις αυτές είναι επίσης πολύ φτηνό είτε είναι ελεύθερο. 3. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Παρουσιάζουμε σειρά εφαρμογών από τον Ελληνικό χώρο των συγγραφέων και άλλων συναδέλφων με συνδυασμό μεθόδων και τεχνικών αλλά και από τον Ευρωπαϊκό που αφορούν θεμελιώσεις κτηρίων, σχεδιασμό σηράγγων, αποχετευτικών αγωγών ,εντοπισμό εγκοίλων και στοών καλυμμένων κατασκευών όπου καταδεικνύεται ο καταλυτικός ρόλος της γεωφυσικής σε πολλές περιπτώσεις.
4
4.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Από τα προαναφερθέντα προκύπτει ότι οι γεωφυσικές μέθοδοι αποτελούν σημαντικό εργαλείο-συμπλήρωμα της τεχνικής γεωλογίας και γενικότερα της διαδικασίας παραγωγής μελετών και έργων της χώρας. Σε πολλές των περιπτώσεων υπερτερούν των συμβατικών εργαστηριακών μεθόδων και των επί τόπου δοκιμών και παρεμβάλουν ιδιότητες μεταξύ γνωστών σημείων . Χρέος των συναδέλφων η τήρηση σε υψηλό βαθμό της ποιότητας . Πολλές φορές έχει συμβεί να δίνουμε ερμηνείες που βρίσκονται μακράν της πραγματικότητας ελαφρά τη καρδία. Επίσης ένας σημαντικός παράγοντας αφορά την επιλογή των κατάλληλων παραμέτρων πρόσκτησης των μετρήσεων, όταν δεν εκτιμάται δεόντως τα αποτελέσματα είναι μη συμβατά με το στόχο μας . Η γεωφυσική επιβάλλει εξειδίκευση για το λόγο αυτό όσοι αναλαμβάνουν μελέτες και δεν έχουν την κατάλληλη εκπαίδευση αν δεν αποταθούν στους έχοντες γνώση και εμπειρία κινδυνεύουν να εκθέσουν εαυτούς και το επάγγελμα τη στιγμή κατά την οποία για πρώτη φορά έχουμε εγκεκριμένες προδιαγραφές (ΟΜΟΕ) για τα δημόσια έργα καθώς και για πρώτη φορά τιμολόγιο.
Βιβλιογραφία: Signanini Patrizio 2004 Application of high resolution shear-wave seismic methods to a geotechnical problem Bull. Eng Geol. Env 63 329-336 Whitley R.J, et all 1990 A new method of down hole – cross hole seismic for geotechnical investigation Exploration Geophysics 21, 83-89 Καραστάθης Βασίλης 2001 Διερεύνηση της κατάστασης του σώματος και της θεμελίωσης του Φράγματος του Μαραθώνα Ερευνητικό πρόγραμμα ΕΥΔΑΠ. Εφαρμογές των συγγραφέων από την επαγγελματική τους δραστηριότητα (ΙΓΜΕ -_ΕΥΔΑΠ- Παν Θεσ/κης)
5
ΠΙΝΑΚΑΣ Ι ΓΕΩΦΥΣΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΙΚΗ ΓΕΩΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΡΓΑ ΠΟΛΙΤΙΚΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΓΙΑ ΕΠΙΛΥΣΗ
Μαγνητικά
Χαρτογράφηση υπεδ. Γεωλογίας
* **
Βαρυτικά
Ιδίου Δυναμικού
**
Εδικής Αντίστασης
Ηλεκτρομαγνητικά
** *
** *
Επαγόμενης Πόλωσης
Γεωραντάρ
Προσδιορισμός Ripa ba lity
Βάθος Διαχωριστικής Επιφάνειας
*
Ανίχνευση Εγκοίλων
*
** *
Ανίχνευση Μολύνσεων
* **
Χαρτογράφηση Δεσμών / Διαρήξεων
**
Εντοπισμός παλαιών Χώρων Απόθεσης
* **
*
Ηλεκτρικά ΣΕΙΣΜΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ P & S Γεωτρήσεων Διάθλαση P Ανάκλαση P Διάθλαση S Ανάκλαση S CROSS HOLE
** *
* **
* **
** *
**
**
*
** *
*
* **
*
***
** *
**
**
**
** *
**
** *
* **
* **
** *
** *
** *
*
** *
*
**
**
**
**
**
**
**
*
*
* **
**
** *
**
** *
* **
** *
*
**
* **
**
*
*
*
*
Υπηρεσίες Εντοπισμού
* **
***
.01-3
*
**
**
***
** *
***
**
50
40
** *
Διαρροές Φραγμάτων Εκτίμηση Κόστους $/ m2
** * **
***
Ελαστικές παράμετροι πετρωμάτων Επιτήρηση τσιμεντενέσεων
DOWN HOLE
***
.1-4
*
*
*
1
.1-.5
.02-.5
* .02-.5
1
1.99-20
1
3
3
4
6
ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙ
Γεωφυσικές μέθοδοι στις έρευνες θεμελιώσεων αστικών περιοχών Στόχοι τεχνικογεωλογικών ερευνών
Κατάλληλη γεωφυσική μέθοδος
Προσδιορισμός γεωλογικών χαρακτηριστικών μιας περιοχής Κατηγοριοποίηση λιθότυπων Προσδιορισμός πάχους ζώνης αξαλοίωσης Εντοπισμός διαταραγμένων ζωνών και πρανών
Γεωηλεκτρικά προφίλ και βυθοσκοπήσεις , γεωραντάρ Γεωηλεκτρικές βυθοσκοπήσεις , σεισμικά διάθλασης ,γεωραντάρ Γεωηλεκτρικά προφίλ , γεωηλεκτρική . τομογραφία , μέθοδος VLF
Αξιολήγηση των φυσικομηχανικών ιδιοτήτων του εδάφους θεμελίωσης Προσδιορισμός ανισοτροπίας της βραχομάζας
Δυναμικά χαρακτηριστικά Χαρακτηριστικά παραμόρφωσης Breakability of rocks
Γεωηλεκτρικές βυθοσκοπήσεις και προφίλ με ακτινωτή ηλεκτροδιακή διάταξη, σεισμικά διάθλασης Σεισμικά διάθλασης για προσδιορισμό μ= f(νp) and E0=f (ν p) όπως προηγουμένως Σεισμικά διάθλασης , Γεωηλεκτρικές βυθοσκοπήσεις Όλες οι παραπάνω σε συνδυασμό με ηλεκτρικές διαγραφίες( logging)
Αξιολόγηση υδρογεωλογικών συνθηκών Βάθος φρεάτιου ορίζοντα Διεύθυνση και ταχύτητα ροής
Σεισμικά διάθλασης , Γεωηλεκτρικές βυθοσκοπήσεις , Επαγόμενη πόλωση (IP) Misc-a-la-masse- method, με την διοχέτευση αλατόνερου και πολικές διατάξεις ηλεκτροδίων
Ειδικές έρευνες Εντοπισμός εγκοίλων και παλιών στοών (ορυχείων)
Μικροβαρυτική μέθοδος,Γεωηλεκτρικά προφίλ , cross-hole σεισμική σάρωση, σεισμικά ανάκλασης ,γεωραντάρ,μέθοδοι μικροδονήσεων.
Εντοπισμός αγωγών και καλωδίων
Μαγνητομετρικάκαι ηλεκτρικά προφίλ – τομογραφία και γεωραντάρ ηλεκτρομαγνητικές και δυναμικές μέθοδοι
Παρακολούθηση επιπτώσεων εξόρυξης
Επαναληπτικές σεισμικές -ηλεκτρικές και γεωακουστικές μετρήσεις σε ειδικές γεωτρήσεις
Διαβρωτική ικανότητα του εδάφους
Γεωηλεκτρικά προφίλ , μέθοδος ιδίου δυναμικού (SP)
,
7
8