ΤΕΧΝΙΚΗ ΓΕΩΛΟΓΙΑ 6o Μάθηµα Ευστάθεια πρανών • Γενικά – εισαγωγή • Ευστάθεια εδαφικών πρανών Διδάσκοντες: Β. Χρηστάρας Καθηγητής Β. Μαρίνος, Λέκτορας Εργαστήριο Τεχνικής Γεωλογίας και Υδρογεωλογίας ΑΠΘ
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 6ου ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ «Ευστάθεια Πρανών»
I. Γενικά περί κατολισθήσεων – Εισαγωγή (6ο Μάθηµα) II. Ευστάθεια εδαφικών πρανών (6ο Μάθηµα) • • • •
Τύποι αστοχίας κατολισθήσεων Αίτια κατολισθήσεων Μέτρα συγκράτησης – αντιστήριξης κατολισθήσεων Ανάλυση κατολισθήσεων
III. Ευστάθεια βραχωδών πρανών (7ο Μάθηµα) • • •
Τύποι βραχοκαταπτώσεων Ανάλυση βραχοκαταπτώσεων Μέτρα συγκράτησης – αντιστήριξης βραχοκαταπτώσεων
Η ευστάθεια των πρανών Βασικό τµήµα των Γεωλογικών Μελετών Ανοικτής Οδοποιίας • • • • • • • •
Βασικές λέξεις – φράσεις Κλειδιά Ευστάθεια πρανών Κλίση πρανούς Τεκτονικά διαγράµµατα (ΤΔ) Τύποι αστοχίας πρανούς Κατολίσθηση - Βραχοκατάπτωση Μέτρα αντιστήριξης πρανούς Θεµελιώσεις βάθρων γέφυρας Καθιζήσεις
Γεωλογικές Μελέτες Ορυγµάτων Βασικός έλεγχος – αντικείµενο µελέτης: • Ευστάθεια εδαφικών ή βραχωδών τεχνητών πρανών – Νέα κλίση πρανούς µε βάση τη µελέτη. Αυτή πρέπει να ελεγχτεί ως προς την ευστάθειά της. – Γίνονται αναλύσεις για πιθανές κατολισθήσεις-καταπτώσεις
• Έλεγχος κατολισθητικών φαινοµένων στη ζώνη του έργου
Κατολισθήσεις Τι είναι η κατολίσθηση ???????????? Είναι κάθε αλλαγή, της επιφάνειας µίας πλαγιάς, συνοδευόµενη µε µετακίνηση υλικού, που προέρχεται από δυνάµεις βαρύτητας και οφείλεται σε φυσικά ή τεχνητά αίτια. § Μεγάλη ή µικρή § Με ρήξη ή όχι της συνέχειας της πλαγιάς § Αργή ή ξαφνική Εκφράζει το αποτέλεσµα της αναζήτησης µίας νέας κατάστασης ισορροπίας του εδάφους.
Κύριοι παράγοντες αστάθειας i.
Η κλίση της επιφάνειας του εδάφους και εσωτερική γεωµετρία του υλικού
ii. Η παρουσία υλικού αργιλικής συµπεριφοράς iii. Η παρουσία νερού, υπόγειου και επιφανειακού iv. Πλαστικό, χαµηλής αντοχής υλικό v. Αποσαθρωµένο υλικό vi. Διατµηµένο υλικό •
Από παλαιότερη κατολίσθηση (υλικά παλιάς κατολίσθησης)
•
Από τεκτονική διαταραχή
vii. Βραχόµαζα µε δυσµενή προσανατολισµό ασυνεχειών (στρώσεις, διακλάσεις, σχιστότητα, ρήγµατα) viii. Σεισµός ix. Η ανθρώπινη παρέµβαση
Κατηγορίες Κατολισθήσεων Ανάλογα µε το υλικό, η µάζα που κατολισθαίνει µπορεί να είναι: • Βράχος • Έδαφος Ανάλογα µε το στάδιο εξέλιξης, οι κατολισθήσεις χαρακτηρίζονται: • Ενεργείς • Επανενεργοποιηµένες αδρανείς • Ανενεργείς • Αρχαίες ή απολιθωµένες
Κατηγορίες Κατολισθήσεων Ανάλογα µε το είδος της κίνησης, οι κατολισθήσεις διακρίνονται σε : • Πτώσεις (falls) • Ανατροπές (toppling) • Ολισθήσεις (slides) • Εξαπλώσεις(spreads) • Ροές (flows)
Κατηγορίες Κατολισθήσεων
!"#"$#%&'() *+,-./ (") 012. 3("45+(67) 3(,*+.&8) "$1 #5 69µ" 6"( (*) 012. 3("45+(67) "$5&,:+.&8) (Varnes 1978)
Καταπτώσεις βράχου
Ροή εδάφους
Κατηγορίες Κατολισθήσεων !"#$%&#'($)* '+,%-.%. /#01'2 ()3&0 Varnes).
!"#$%&'()* +,-./0 (1#2- Varnes).
Εξαπλώσεις βράχου
Περιστροφική ολίσθηση βράχου
Κατηγορίες Κατολισθήσεων !"#$%"& '()*"+,# )-.'(/0& 1"$2(%* '%* *'3",)+41+ ")*04%'%+&µ35%* 04"6µ14%7 .µµ%* ,1+ +(8%7 (Horsmell and Horton 1976)
!"# $%&'( (Zaruba-Mencl)
Ροή εδάφους
Κατηγορίες Κατολισθήσεων
!"#$% &'()*+ ,-. (&) -/-"'*01 &'()*+ (,-"( Varnes)
Αίτια Κατολισθήσεων (Εκκίνηση - Triggering) • Γεωµορφολογικές διεργασίες – – – – – – – –
Τεκτονική ανύψωση Ανύψωση λόγω ηφαιστείων Επίδραση παγετώνων Ποτάµια ή θαλάσσια διάβρωση της βάσης του πρανούς (υποσκαφή) Διάβρωση της βάσης του πρανούς Εσωτερική διάβρωση Φόρτιση από φυσική απόθεση υλικών στην στέψη του πρανούς Αποµάκρυνση φυτοκάλυψης (από πυρκαγιά, διάβρωση)
• Φυσικές διεργασίες – – – – –
Έντονη, µικρής διάρκειας βροχόπτωση Γρήγορο λιώσιµο χιονιού Παρατεταµένη υψηλή βροχόπτωση Αποσάθρωση λόγω παγετού Αποσάθρωση από διόκωση και συρρίκνωση εδαφών
Αίτια Κατολισθήσεων (Εκκίνηση - Triggering) • Ανθωπογενείς διαδικασίες – Εκσκαφές στη βάση (πόδι του πρανούς) – Φόρτιση στο µέτωπο ή πάνω από τη στέψη του πρανούς – Υποβιβασµός της στάθµης σε ταµιευτήρες – Άρδευση – Κακή συντήρηση αποστραγγιστικών έργων – Διαρροή υδάτων από τεχνικά έργα (δίκτυα, δεξαµενές) – Αποψίλωση – Λατοµείς και µεταλλεία – Τεχνητές δονήσεις (κυκλοφορία οχηµάτων, ανατινάξεις)
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 6ου ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ «Ευστάθεια Εδαφικών Πρανών»
II. Ευστάθεια εδαφικών πρανών • • • • •
Τύποι αστοχίας κατολισθήσεων Αίτια κατολισθήσεων Μέτρα συγκράτησης – αντιστήριξης κατολισθήσεων Ανάλυση κατολισθήσεων Παρακολούθηση κατολισθήσεων
Μορφές κατολισθήσεων § Τυπική µορφή κατολίσθησης, όπου τµήµα του υλικού του πρανούς µετακινείται µαζικά κατά µήκος µίας ορισµένης επιφάνειας ολίσθησης. α) Επιφάνεια µη προδιαγεγραµµένη
Μορφές κατολισθήσεων § Τυπική µορφή κατολίσθησης, όπου τµήµα του υλικού του πρανούς µετακινείται µαζικά κατά µήκος µίας ορισµένης επιφάνειας ολίσθησης. α) Επιφάνεια µη προδιαγεγραµµένη β) Επιφάνεια προδιαγεγραµµένη από πριν (ασυνέχεια)
Μορφές κατολισθήσεων § Τυπική µορφή κατολίσθησης, όπου τµήµα του υλικού του πρανούς µετακινείται µαζικά κατά µήκος µίας ορισµένης επιφάνειας ολίσθησης. α) Επιφάνεια µη προδιαγεγραµµένη β) Επιφάνεια προδιαγεγραµµένη από πριν (ασυνέχεια) § Μορφή ερπυσµού, όπου η µετακινούµενη µάζα έχει πολύ µικρό πάχος και πολύ µικρές ταχύτητες κίνησης.
Μορφές κατολισθήσεων § Τυπική µορφή κατολίσθησης, όπου τµήµα του υλικού του πρανούς µετακινείται µαζικά κατά µήκος µίας ορισµένης επιφάνειας ολίσθησης. α) Επιφάνεια µη προδιαγεγραµµένη β) Επιφάνεια προδιαγεγραµµένη από πριν (ασυνέχεια) § Μορφή ερπυσµού, όπου η µετακινούµενη µάζα έχει πολύ µικρό πάχος και πολύ µικρές ταχύτητες κίνησης. § Πλαστική ροή, όπου χαλαρές µάζες µιας πλαγιάς , αργιλικής κυρίως φύσης, που περιέχουν σηµαντικές ποσότητες νερού ρέουν προς τα χαµηλότερα υψόµετρα µε πλαστικές παραµορφώσεις (ροή εδάφους, ρεύµατα εδάφους).
§ Πλαστική ροή, όπου χαλαρές µάζες µιας πλαγιάς , αργιλικής κυρίως φύσης, που περιέχουν σηµαντικές ποσότητες νερού ρέουν προς τα χαµηλότερα υψόµετρα µε πλαστικές παραµορφώσεις (ροή εδάφους, ρεύµατα εδάφους).
Ερπυσµός: Πολύ µικρή µετακίνηση σταθερά µε τον χρόνο. Χαρακτηριστικές µορφές: παραµορφωµένη βλάστηση
Πωσ Αναγνωρίζουµε παλιέσ κατολισθήσεισ; Η πολύ καλή ανάγνωση των υπαρχόντων χαρτών µπορεί να µασ Κατευθύνει § Τοξοειδής ασυνέχειες (ρήξεις) του πρανούς ή φρύδια που υποδηλώνουν την κεφαλή παλιάς τυπικής κατολίσθησης (περιστροφικές). § Αιφνίδιες απότοµες αλλαγές της κλίσης του εδάφους, επίπεδες επιφάνειες πάνω στις πλαγιές (αντικρυστές ισοϋψείς). § Πηγές, συγκεντρώσεις νερού (µικρές λίµνες) πάνω στις πλαγιές. § «Γλώσσες» (εξάρσεις ανάγλυφου) µε ανώµαλες µικρολοφώδεις επιφάνειες πάνω στις πλαγιές.
Αναγνώριση πιθανών κατολισθήσεων από τον χάρτη § Αιφνίδιες απότοµες αλλαγές της κλίσης του εδάφους, επίπεδες επιφάνειες πάνω στις πλαγιές (αντικρυστές ισοϋψείς).
200 190 180
Πριν την κατολίσθηση
170 160 150Μετά την κατολίσθηση
Σε χάρτη
Αρχική επιφάνεια
Σε τοµή
Τυπικές µορφές κατολισθήσεων βυθίσµατα ( α ν ά σ τ ρ ο φ ε ς το ξο ε ι δ ε ί ς θ ρ α ύ σ ε ι ς ) κα ι φουσκώµατα (παραµορφώσεις).
Διατµήσεις (γραµµές ολίσθησης) επί της επιφάνειας ολίσθησης.
Χαρακτηριστικές µορφές θραύσεων σε επαρχιακούς δρόµους οδοποιίας (οριζόντιες µετακινήσεις, βυθίσµατα-τοξοειδείς θραύσεις)
!
!
Χαρακτηριστική ρωγµή του οδοστρώµατος, η οποία αποτελεί άκρο της επιφάνειας ολίσθησης.
Και τι µε νοιάζει αν κάπου υπάρχει παλιά κατολίσθηση????????????? Η πρώτη σκέψη είναι ότι δε µε νοιάζει. Το υλικό κινήθηκε, ισορρόπησε άρα τώρα δεν υπάρχει κανένα πρόβληµα Είναι σωστή, όµως, η σκέψη αυτή ?
ΟΧΙ Γιατί το υλικό αν και ισορρόπησε είναι πια πολύ ευαίσθητο και αδύναµο πάνω στην επιφάνεια που κινήθηκε και αν το ενοχλήσουµε είναι πολύ εύκολο να ξαναδώσει κατολίσθηση πάνω στην ίδια επιφάνεια.
Τυπικές κατολισθήσεις περιστροφικού τύπου σε φλύσχη
Ανάλυση ευστάθειας περιστροφικών ολισθήσεων
!"#"$%µ& #'$ #()*'$ +%, *-").%/$#"0 )* *1"20.& µ(3" µ* .,.40.& *+02($*0" %45)67)78 ("+9 CERNICA 1982).
Στη περίπτωση οµογενούς εδαφικής µάζας µε µια κυκλική επιφάνεια ολίσθησης οι δυνάµεις που ασκούνται πάνω της είναι: α. το βάρος (W) της ολισθαίνουσας µάζας, β. οι ενεργές τάσεις (Ν) γ. η διατµητική αντοχή (C) η συνοχή και (Τ) η τριβή και δ. η πίεση των πόρων.
Ανάλυση ευστάθειας περιστροφικών ολισθήσεων
!"#$%$& '() *(+,%(). -.)( /+01'2+. 34$%0/,+215 $*01#/,)$31/& µ.6/& 12 *(+,%2& 7/0 7.'( %280., $0 %3).µ20& 4$3 240%+$9) 12 µ0/ *(+,%/ (/4: CERNICA 1982)
Τυπική µορφή κατολίσθησης εδαφών Περιστροφική ολίσθηση
Ανάλυση δυνάµεων σε περιστροφική ολίσθηση
• • • • • •
W=Βάρος ολισθαίνουσας µάζας: Δύο συνιστώσες, D (οδηγεί την ολίσθηση) και Ν (κάθετα-κρατά την ολίσθηση) u= δύναµη άνωσης λόγω πίεσης πόρων νερού c + F= δυνάµεις αντίστασης έναντι της D • c: συνοχή κατά µήκος της επιφάνειας ολίσθησης • F: δύναµη τριβής κατά µήκος της επιφάνειας ολίσθησης: N*tanφ R: Δύναµη αντίστασης έναντι της διάτµησης D NL (Neutral line): Ουδέτερη γραµµή στις περιστροφικές ολισθήσεις (µε καµπύλη επιφάνεια θραύσης) όπου: πάνω από αυτή την οριακή γραµµή στο πιο απότοµο τµήµα D>R και κάτω από αυτή στο πιο επίπεδο τµήµα R>D. J: Υδροστατική πίεση σε ρωγµή εφελκυσµού (προστίθεται στην D)
Μέτρα αντιστήριξης κατολισθήσεων Αποστραγγίσεις Επιφανειακή αποστράγγιση: Ώστε να µην κατεισδύσουν τα επιφανειακά νερά και φορτίζουν την ολισθαίνουσα µάζα. Υπόγεια αποστράγγιση (µε στοές ή γεωτρήσεις): Εκτόνωση των πιέσεων πόρων – αύξηση των ενεργών τάσεων.
Ευστάθεια πρανών – βαθειές εκσκαφές Στήριξη του γεωυλικού όταν δεν ευσταθεί στην γωνία – κλίση που επιθυµούµε (π.χ. εδώ κατακόρυφη κλίση) Πάσσαλοι Εκτοξευµένο σκυρόδεµα Αγκύρια
Παρακολούθηση Κατολισθήσεων (εδαφικών και βραχωδών)
Κλισιόµετρο: Βάθος και µέτρο οριζόντιας µετακίνησης (απόκλιση από την κατακόρυφο και αζιµούθιο)
Ένα παράδειγµα...... Μελέτη και παρακολούθηση της κατολίσθησης της Clapière à St Etienne de Tinée (η µεγαλύτερη εν εξελίξει κατολίσθηση της Ευρώπης)
Από Εργαστήριο CETE Méditerranée, Νίκαια (Jean – Louis Perez) (1975 – 2005)
Μελέτη και παρακολούθηση της κατολίσθησης της Clapière à St Etienne de Tinée
1976
2002
Μελέτη και παρακολούθηση της κατολίσθησης της Clapière à St Etienne de Tinée
2001
1952
Παρακολούθηση ¤ Ειδική µελέτη της µετακίνησης και του πλαισίου της ¤ Καθορισµός του µηχανισµού και εγκατάστασή του ¤ Προσδιορισµός του ορίου επικινδυνότητας ¤ Οργάνωση της παρακολούθησης ¤ Πρόγραµµα άµεσης επέµβασης
Ειδική µελέτη της µετακίνησης Βραχώδης κατολίσθηση (εδαφικού τύπου όµως) σε επίπεδο που βρίσκεται σε βάθος 100 έως 150 µέτρων µέσα σε γνευσίους και πιγµατίτες Όγκος: 50 εκατ. m2 Διαφορά υψοµετρικής στάθµης: 600 m (δάπεδο 1100 έως 1700) Πλάτος : 2,4 km
Οργάνωση της παρακολούθησης της τοποθεσίας Clapière Οκτώβριος 1982 : εγκατάσταση χειροκίνητης παρακολούθησης που είχαν αναλάβει υπάλληλοι του δήµου και ανέλυε το εργαστήριο. Ιούνιος 1990 : εγκατάσταση δύο αυτόµατων θεοδόλιχων (πρόκειται για δύο σταθµούς µετρήσεων που επιτρέπουν τη τριµηνιαία ανάλυση, µε µετρήσεις που γίνονται κάθε τέσσερις ώρες). 2001 :περιορισµό της παρακολούθησης από ένα µόνο σταθµό (St Maur) για οικονοµικούς λόγους (δύο αναλύσεις το µήνα) Ενσωµάτωση των µετεωρολογικών στοιχείων: προγραµµατική σύµβαση µε τη ΔΕΗ για να τους διατεθούν τα δεδοµένα βροχόπτωσης έως το 2001 και εγκατάσταση από το UNSA ενός νέου µετεωρολογικού σταθµού την άνοιξη του 2003.
Προσδιορισµός και οργάνωση της εγκατάστασης παρακολούθησης
Χωροθέτηση των στόχων
janv-05 janv-04 janv-03 janv-02 janv-01 janv-00 janv-99 janv-98 janv-97 janv-96 janv-95 janv-94 janv-93 janv-92 janv-91 janv-90 janv-89 janv-88 janv-87 janv-86 janv-85 janv-84 janv-83 janv-82 mm/j
mm/j
Μηνιαίες ταχύτητες
Cible 34 - Vitesses mensuelles 250
200
150 100
50
0
Cible 10 - Vitesses mensuelles 100 80 60 40 20 0
janv-05 janv-04 janv-03 janv-02 janv-01 janv-00 janv-99 janv-98 janv-97 janv-96 janv-95 janv-94 janv-93 janv-92 janv-91 janv-90 janv-89 janv-88 janv-87 janv-86 janv-85 janv-84 janv-83 janv-82
Η πρόληψη;
Clapière : µέτρα που έχουν προβλεφθεί Ø Π α ρ ά κ α µ ψ η διαδροµής
της
Ø Σ το ά ε κ τ ρ οπ ή ς το υ ποταµού σε περίπτωση κατολίσθησης Ø Πρόγραµµα πρόληψης των κινδύνων PPR Ø Π ρ ό γ ρ α µ µ α απαλλοτριώσεων (νόµος Barnier)
Βιβλιογραφία Άσκησης • Hoek, Ε & Bray J.W. (1981). Rock Slope Engineering. • Hoek, E., 2007. Practical Rock Engineering. Notes on Internet (www.rocscience.com/hoek/hoek.asp). • Waltham T., (2002). Foundations of Engineering Geology, Spon Press. • Δηµόπουλος Γ. (2008). Τεχνική Γεωλογία. Εκδόσεις Αφοί Κυριακίδη. • Κούκης Γ. & Σαµπατακάκης Ν. (2002). Τεχνική Γεωλογία. Εκδόσεις Παπασωτηρίου. • Κούκης Γ. & Σαµπατακάκης Ν. (2007). Γεωλογία τεχνικών έργων. Εκδόσεις Παπασωτηρίου. • Μαρίνος Β. (2011). Παρουσιάσεις µαθήµατος «Γεωλογικές και Περιβαλλοντικές Μελέτες Τεχνικών Έργων».