ΚΕΦΑΛΑΙΑ

ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ Ι

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ∆ΙΑΛΕΞΕΩΝ

2Η ∆ΙΑΛΕΞΗ

Φυσικές και µηχανικές Ιδιότητες πετρωµάτων α’

ΑΘΗΝΑ 2005

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ – ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝ

ΤΟΜΕΑΣ ΓΕΩΛΟΓΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ Υ∆ΡΟΓΕΩΛΟΓΙΑΣ

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ

ΕισαγωγήΣτο κεφάλαιο αυτό της Τεχνικής Πετρογραφίας, εξετάζονται οι φυσικές και µηχανικές ιδιότητες των κυριότερων συναντώµενων εκρηξιγενών, µεταµορφωµένων, ιζηµατογενών πετρωµάτων.

Κύριες Ιδέες

Ο όρος πέτρωµα (rock) χρησιµοποιείται στις γεωλογικές επιστήµες για να περιγράψει κάθε φυσικό σχηµατισµό του φλοιού της γης ανεξάρτητα από την σκληρότητα ή την συνεκτικότητά του

Οι φυσικές και µηχανικές ιδιότητες των πετρωµάτων επηρεάζονται σαφώς από τις αντίστοιχες ιδιότητες των ορυκτολογικών συστατικών τους, την κρυσταλλική δοµή (το µέγεθος και το σχήµα των κόκκων), την διάταξη του κρυσταλλικού πλέγµατος (την θέση των ορυκτών και κενών) καθώς και από τον βαθµό αποσάθρωσης –

εξαλλοίωσης (IRFAN, 1996)

Οι φυσικές και µηχανικές ιδιότητες των υγιών πετρωµάτων εξαρτώνται από τις αντίστοιχες ιδιότητες των ορυκτολογικών τους συστατικών και από το µέγεθος των κρυστάλλων και του τρόπου συνδέσεως και διατάξεως

αυτών εντός της µάζας του πετρώµατος, δηλαδή τον ιστό και την υφή

Ωστόσο στα εξαλλοιωµένα και διερρηγµένα πετρώµατα, πετρώµατα που έχουν υποστεί σε κάποιο βαθµό την επίδραση των µηχανισµών αποσάθρωσης, οι φυσικές και µηχανικές ιδιότητες αυτών εξαρτώνται κυρίως από τον

βαθµό διαρρήξεως και εξαλλοιώσεως και δευτερεύοντος από τα παραπάνω χαρακτηριστικά των υγιών πετρωµάτων

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ

Η µελέτη των φυσικών και µηχανικών χαρακτηριστικών των πετρωµάτων όπως προσδιορίζονται στο εργαστήριο, αποσκοπούν:

Στην κατανόηση και εκτίµηση της συµπεριφοράς τουςΣτην γεωτεχνική ταξινόµηση των πετρωµάτων και την διάκρισή τους σε ιδιαίτερες οµάδες

Στον καθορισµό της καταλληλότητας των πετρωµάτων ως δοµικών λίθων, διακοσµητικών λίθων, αδρανών υλικών ή άλλων πιθανών χρήσεων.

Για την εκτίµηση είτε της καταλληλότητας ενός υλικού, πετρώµατος ή εδαφικού σχηµατισµού, προς χρήση αυτού σε κάποιο συγκεκριµένο τεχνικό έργο είτε για την εκτίµηση της συµπεριφοράς αυτού σε σχέση µε το

ευρύτερο γεωλογικό περιβάλλον είναι απαραίτητο να απαντηθούν οι παρακάτω σχετικές ερωτήσεις:

1.Ποιες ιδιότητες του πετρώµατος ή του εδαφικού σχηµατισµού είναι απαραίτητο να διερευνηθούν για την εκτίµηση είτε της καταλληλότητας είτε της τεχνικής συµπεριφοράς του?

2.Ποιο το ποσοστό αβεβαιότητας που σχετίζεται µε την απόκτηση των ιδιοτήτων αυτών?3.Ποιο το ποσοστό αβεβαιότητας κατά την επεξεργασία των ιδιοτήτων?

4. Ποιο το ποσοστό αβεβαιότητας που σχετίζεται µε την προσπάθεια εκτίµησης – πρόβλεψης µε βάση τις ιδιότητες αυτές καταλληλότητας ή συµπεριφοράς του?

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ

Φυσική υγρασίαΠορώδεςΠυκνότητα∆είκτης κενώνΓρήγορη απορρόφησηΑνθεκτικότητα - Χαλάρωση

∆οκιµές ταξινόµησης

Φυσικές παράµετροι

Ταχύτητα διάδοσης υπερήχων ∆υναµικές παράµετροι

Αντοχή σε τριαξονική θλίψηΑντοχή σε εφελκυσµό∆ιάτµηση ασυνεχειών

ΣκληρότηταΑντοχή σε σηµειακή φόρτισηΑντοχή σε µονοαξονική θλίψηΠαραµορφωσιµότητα

Παράµετροι αντοχής

∆οκιµές σχεδιασµού

ΟΡΥΚΤΟΛΟΓΙΚΗΟΡΥΚΤΟΛΟΓΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗΣΥΣΤΑΣΗ

Για τον ακριβέστερο και ασφαλέστερο προσδιορισµό της ορυκτολογικής συστάσεως, κατασκευάζονται µικροσκοπικά παρασκευάσµατα, λεπτές τοµές πάχους 0.02 – 0.03 mm. Τα ορυκτά καθίστανται διαφανή και είναι δυνατό να αναγνωρισθούν µε τη βοήθεια µικροσκοπίου.

ΟΡΥΚΤΟΛΟΓΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ ΠΕΡΙΕΚΤΙΚΌΤΗΤΑ % ΤΟΥ ΒΑΡΟΥΣ

ΠΛΑΓΙΟΚΛΑΣΤΑ 40.2

ΚΑΛΙΟΆΣΤΡΙΟΙ 17.7

ΑΥΓΙΤΗΣ, ΚΕΡΟΣΤΙΛΒΗ, ΟΛΙΒΙΝΗΣ 16.3

ΧΑΛΑΖΙΑΣ 12.6

ΜΑΓΝΗΤΙΤΗΣ-ΑΙΜΑΤΙΤΗΣ 3.7

ΜΑΡΜΑΡΥΓΙΕΣ 3.3

ΑΣΒΕΣΤΙΤΗΣ 1.5

ΑΡΓΙΛΙΚΑ ΟΡΥΚΤΑ 1.0

ΛΕΙΜΩΝΙΤΗΣ 0.3

∆ΟΛΟΜΙΤΗΣ 0.1

ΣΥΝΟΛΟ 96.7

Μέση ορυκτολογική σύσταση εξωτερικού στερεού φλοιού της Γης, µέχρι βάθους 16 χλµ.

Φωτοµικρογράφηµα δείγµατος γρανίτου Κιµµέρια Μεγέθυνση x 25 (x NICOLS)

Τα ορυκτολογικά συστατικά ενός πετρώµατος λέγονται ουσιώδη, όταν συµµετέχουν σε ποσοστό τουλάχιστον 5 – 10%, ενώ διαφορετικά καλούνται επουσιώδη

ΙΣΤΟΣΙΣΤΟΣ ΚΑΙ ΥΦΗΚΑΙ ΥΦΗ

Για να καθορίσουµε το χώρο στον οποίο σχηµατίστηκε ένα µαγµατικό πέτρωµα χρησιµοποιούµε δυο έννοιες που έχουν σχέση µε το σχήµα, το µέγεθος και τη διάταξη των ορυκτών στο πέτρωµα τον ιστό και την υφή

Ο ιστός του πετρώµατος χαρακτηρίζει το σχήµα και το σχετικό µέγεθος των ορυκτολογικών συστατικών

του πετρώµατος.

Η υφή χαρακτηρίζει τον τρόπο διάταξης των ορυκτών στο πέτρωµα, καθώς και τη µορφή που

προκύπτει από τη διάταξη των ορυκτών

πολύ χονδρόκοκκοχονδρόκοκκοµεσόκοκκολεπτόκοκκο

πολύ λεπτόκοκκο

µέγεθος κόκκων

ιδιόµορφοαλλοτριόµορφουπιδιόµορφο

σχήµα και µορφή

ακανόνιστη υφή παράλληλη ή ταινιωτή υφήρευστική υφήπερλιτική υφή

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΕΙ∆ΙΚΟ ΒΑΡΟΣΕΙ∆ΙΚΟ ΒΑΡΟΣ

Ορισµός: Ως ειδικό βάρος γ ενός πετρώµατος ορίζεται ο λόγος του βάρους του σε ξηρή κατάσταση, προς τον όγκοτων στερεών συστατικών του, µη συµπεριλαµβανοµένου δηλαδή του όγκου των πόρων του. Πρόκειται για το βάροςτης στερεάς µάζας του ή οποία χωρίς πόρους καταλαµβάνει την µονάδα του όγκου. Το ειδικό βάρος ενός πετρώµατος εξαρτάται από το ειδικό βάρος καθενός από τα ορυκτολογικά συστατικά του καιαπό την ποσοστιαία αναλογία τους.

Προσδιορισµός: ο προσδιορισµός του ειδικού βάρους των πετρωµάτων γίνεται συνήθως µε τη µέθοδο τηςανώσεως και δίνεται από την σχέση:

e φ

φ

γ γγ−

= , όπου P είναι το βάρος δοκιµίου µετά από ξήρανση στους 110ο C, Pu είναι το βάρος του δοκιµίου υπό άνωση µέσα σενερό, και γυ είναι το βάρος του νερού στη θερµοκρασία του πειράµατος

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΠΟΡΩ∆ΕΣΠΟΡΩ∆ΕΣ

Μια από τις σηµαντικότερες φυσικές ιδιότητες των πετρωµάτων είναι το πορώδες, ο λόγος του όγκου των κενών (πόρων, µικρορωγµών κ.α.) προς τον συνολικό όγκο του πετρώµατος.

Ολικό πορώδες, ονοµάζουµε το πορώδες στο οποίο λαµβάνουµε υπόψη το σύνολο του όγκου των κενών, ανεξάρτητα αν αυτά θεωρούνται µικρά ή µεγάλα, αν επικοινωνούν µεταξύ τους ή είναι τυφλά.Ενεργό ή ανοικτό πορώδες, ονοµάζουµε το πορώδες που εκφράζει τον όγκο του συνόλου των κενών εκείνων που επιτρέπουν τη ροή του νερού υπό την επίδραση της βαρύτητας ή της υδροστατικής πίεσης.Το πορώδες όπως και η πυκνότητα εξαρτώνται από τον τρόπο και τις συνθήκες σχηµατισµού των πετρωµάτων, καθώς και από τις διεργασίες που επιτελούνται κατά την γένεσή τους (διαγένεση, αποσάθρωση - εξαλλοίωση). Η γνώση του πορώδους έχει µεγάλη σηµασία, δεδοµένου ότι οι τιµές του επηρεάζουν πολλές φυσικές και µηχανικές ιδιότητες.

Προσδιορισµός: προσδιορίζεται είτε στην ύπαιθρο είτε στο εργαστήριο. Υπολογίζοντας το ειδικό και φαινόµενο βάρος και εφαρµογής των τιµών τους στον ανώτερο τύπο. Στην ύπαιθρο µε την βοήθεια υδροστεγανού δοχείου γνωστού όγκου, όπου γεµίζει έως ότου το δείγµα κορεσθεί πλήρως, διαιρώντας τον όγκο του νερού που χρησιµοποιήθηκε για τον κορεσµό δια του όγκου του δείγµατος λαµβάνουµε το πορώδες.

∆ίνεται από την σχέση: 100%n φγ γγ−

=

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΠΟΡΩ∆ΕΣΠΟΡΩ∆ΕΣ

Πέτρωµα Πυκνότητα ΚΝ/m3 n %

Ασβεστόλιθος 24 – 27 0 - 3

Κρυσταλλικός, συµπαγής ασβεστόλιθος 26 – 27 0 – 1

∆ολοµιτιωµένος ασβεστόλιθος 15 – 27.5 3 – 38

Μαργαϊκός ασβεστόλιθος 16.5 – 26 6 – 40

Μαργόλιθος, ιλυόλιθος 17.5 – 26 5 – 40

Ψαµµίτης 15 – 26.5 0.5 – 30

Μάρµαρο 26.5 – 28.5 0 – 1

Σχιστόλιθος 22 – 27.5 0 – 3

Ανδεσίτης 21.5 – 23 10 – 40

Ενδεικτικές τιµές της πυκνότητας και του πορώδους από πετρώµατα του Ελληνικού χώρου (στοιχεία από το αρχείο του Κ.Ε.∆.Ε)

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΛΟΓΟΣ ΚΕΝΩΝΛΟΓΟΣ ΚΕΝΩΝ

Ορισµός: ο λόγος των κενών ενός πετρώµατος χαρακτηρίζεται από την σχέση του όγκου των κενών του προς τον όγκο των στερεών συστατικών του. Αν V είναι ο ολικός όγκος του πετρώµατος συµπεριλαµβανοµένων και των κενών τότε, Vv ο ολικός όγκος των κενών τότε:

v

v

VeV V

=−

, ενώ για το ολικό πορώδες έχουµε vVnV

=

Η σχέση µεταξύ του λόγου κενών και του πορώδους εκφράζεται µε τις εξισώσεις:

1ne

n=

−και

1en

e=

+ ο προσδιορισµός του λόγου των κενών γίνεται µε τη βοήθεια του

e φ

φ

γ γγ−

= , όπου γ είναι το ειδικό βάρος, γφ είναι το φαινόµενο βάρος..

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΥ∆ΡΟΑΠΟΡΡΟΦΗΤΙΚΟΤΗΤΑΥ∆ΡΟΑΠΟΡΡΟΦΗΤΙΚΟΤΗΤΑ

Ορισµός: Η ικανότητα που έχει κάθε πέτρωµα να απορροφά νερό, ονοµάζεται υδροαπορροφητικότητα και ισούται µε το λόγο του βάρους του απορροφούµενου νερού προς το βάρος του σώµατος σε ξηρή κατάσταση.∆ιευκρινίζεται ότι πετρώµατα µε το ίδιο πορώδες δεν έχουν πάντα την ίδια ικανότητα να απορροφούν νερό, εξαιτίας του είτε ότι πολλοί πόροι µπορεί να είναι αποµονωµένοι, είτε εξαιτίας της παγίδευσης µέρους του αέρα των πόρων που κάνει αδύνατη την αποµάκρυνσή τους καθώς και εξαιτίας της διόγκωση αργίλου η οποία εµποδίζει στην περαιτέρω διείσδυση του νερού.

Προσδιορισµός: δείγµα πετρώµατος ξηραίνεται στους 105ο C, ζυγίζεται και στη συνέχεια βυθίζεται µέσα σε νερό, µέχρι πλήρους κορεσµού. Ζυγίζεται εκ νέου στην κατάσταση κορεσµού και ο υπολογισµός της απορροφητικότητας Wγίνεται µέσω του τύπου:

2 1

1

100%B BWB−

= όπου Β1 βάρος ξηρού δείγµατος, Β2 βάρος δείγµατος µετά από ελεύθερο κορεσµό

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΒΑΘΜΟΣ Υ∆ΑΤΟΚΟΡΕΣΜΟΥΒΑΘΜΟΣ Υ∆ΑΤΟΚΟΡΕΣΜΟΥ

Ορισµός: Βαθµός υδατοκορεσµού ορίζεται ο λόγος του όγκου των πόρων οι οποίοι είναι γεµάτοι µε νερό προς τον όγκο των πόρων. Ο υπολογισµός του βαθµού υδατοκορεσµού (St%), γίνεται µε τη βοήθεια του τύπου:

t

WS

nφγ= όπου W = απορροφητικότητα, γφ φαινόµενο βάρος, n ολικό πορώδες.

Οι τιµές του θα είναι τόσο µεγαλύτερες όσο µικρότερη είναι η διαφορά µεταξύ ολικού και ανοικτού πορώδους.

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΒΑΘΜΟΣ Υ∆ΑΤΟΚΟΡΕΣΜΟΥΒΑΘΜΟΣ Υ∆ΑΤΟΚΟΡΕΣΜΟΥ

Ορισµός: Περιεκτικότητα σε νερό ή φυσική υγρασία, είναι η ποσότητα του νερού που περιέχει ένα πέτρωµα στο φυσικό του περιβάλλον. Η περιεκτικότητα σε νερό εκφράζεται µε το λόγο του βάρους του περιεχόµενου στο πέτρωµα νερού προς το ξηρό βάρος του και δίνεται σε µονάδες επί τις εκατό (%). Γίνεται αντιληπτό ότι η τιµή της ιδιότητας αυτής εξαρτάται τόσο από τις φυσικές ιδιότητες του ίδιου του πετρώµατος, όσο και από αυτές των πετρωµάτων που το περιβάλλουν.

Τα κρυσταλλικά πετρώµατα έχουν ελάχιστες τιµές φυσικής υγρασίας, µέχρι 1 %, ενώ τα αργιλικής σύστασης, µαργόλιθοι, ιλυόλιθοι, µαργαϊκοί ασβεστόλιθοι µέχρι και 30 %. Αύξηση της περιεχόµενης υγρασίας προκαλεί µείωση της µηχανικής αντοχής των πετρωµάτων.

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ∆ΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑ∆ΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑ

Ορισµός: Ως διαπερατότητα ορίζεται η ιδιότητα εκείνη ενός σχηµατισµού, που επιτρέπει σε ένα υγρό ή αέριο να κυκλοφορήσει δια µέσου αυτού, όταν οι πόροι και τα κενά αυτού συγκοινωνούν. Η ταχύτητα της κίνησής κατά την κυκλοφορία εξαρτάται τόσο από τις ιδιότητες του διακινούµενου υλικού, εσωτερική τριβή και ευκινησία, από την πίεση και θερµοκρασία, όσο και από το µέγεθος, τη διάταξη και φύση των εσωτερικών επιφανειών των πόρων του σχηµατισµού. Η ιδιότητα αυτή, η οποία είναι ανυσµατική, και ενδέχεται να παρουσιάζεται πολλές φορές µέσα στο ίδιο το πέτρωµα να ποικίλει στις διάφορες διευθύνσεις. Στην περίπτωση ενός στρωσιγενούς ψαµµίτη, η διαπερατότητα παράλληλα προς τη στρώση µπορεί να είναι διπλάσια της παρατηρούµενης κάθετα προς αυτή. Η γνώση της διαπερατότητας των πετρωµάτων αποτελεί στοιχείο απαραίτητο για την αντιµετώπιση υδρογεωλογικώνκαι γεωτεχνικών προβληµάτων όπως:

εύρεση και εκµετάλλευση υπόγειων υδροφόρωνεύρεση και εκµετάλλευση πετρελαίου και γήινων αερίωνστην στεγανοποίηση φυσικών και τεχνητών λιµνώνθεµελιώσεις κάτω από τη στάθµη του υδροφόρουγια την εισροή υδάτων σε σήραγγες και υπόγεια έργα για τα φαινόµενα και την τεχνική της διηθήσεως και του τεχνικού εµπλουτισµού των υπογείων υδάτων κ.α.

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΥ∆ΡΟΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑΥ∆ΡΟΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑ

Ορισµός: Η υδροπερατότητα αποτελεί χαρακτηριστικό του πορώδους µόνο µέσου και είναι ανεξάρτητη από τις ιδιότητες του ρευστού. Η υδροπερατότητα διαφέρει ελαφρά από την πραγµατική ή αληθή διαπερατότητα. Τα δυο µεγέθη συνδέονται µε τη σχέση:

, όπου Κ και Κi η υδροπερατότητα και η πραγµατική διαπερατότητα αντίστοιχα, γ το ειδικό βάρος του νερού και µ το ιξώδες του.

Η υδροπερατότητα που προσδιορίζεται στο εργαστήριο δεν ανταποκρίνεται επακριβώς στην υδροπερατότητα του πετρώµατος που απαντά στο φυσικό του περιβάλλον και η οποία θεωρείται σηµαντικά µεγαλύτερη. Η διαφορά αυτή οφείλεται στην ύπαρξη ρωγµών, διακλάσεων και ασυνεχειών καθώς και του βαθµό αποσάθρωσης του πετρώµατος όταν βρίσκεται στην φυσική του θέση.

iK K γµ

=

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΑΝΤΟΧΗΣΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΑΝΤΟΧΗΣ

Η αντοχή αποτελεί µια πολύ βασική µηχανική ιδιότητα και αντιπροσωπεύει το µέγεθος της εφαρµοζόµενης τάσης σε ένα δοκίµιο, ώστε να σηµειωθεί θραύση (failure) αυτού. Η εφαρµοζόµενη τάση µπορεί να είναι θλιπτική (compressive) που τείνει να ελαττώσουν τον όγκο του υλικού, διατµητική (shear) που τείνουν να µετακινήσουν τµήµα του υλικού σε σχέση προς το υπόλοιπο, ή εφελκυστική (tensile) που τείνουν να µεγαλώσουν τον όγκο και να προκαλέσουν ρωγµές και σχισµές στο υλικό.

Οι παράµετροι της αντοχής ενός πετρώµατος εξαρτώνται από:

τις ιδιότητες αντοχής καθενός από τα ορυκτολογικά συστατικά που το συνθέτουντο βαθµό σύνδεση των ορυκτών κόκκωντον ιστό του πετρώµατος τις τυχόν ασυνέχειες, επιφάνειες µικρής συνοχής το πορώδες και την περιεκτικότητα σε νερό τις συνθήκες εκτέλεσης της δοκιµής και τη διαµόρφωση των δειγµάτων

Η διαµόρφωση των τιµών εξαρτάται ακόµα από ένα αριθµό εξωτερικών παραγόντων:

τύπος και τοπική κατανοµή των εξωτερικών φορτίωντρόπος επιβολής των φορτίωνοι φυσικές και χηµικές συνθήκες κατά την δοκιµή

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΘΛΙΨΗΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΘΛΙΨΗ

Ορισµός: Η αντοχή σε θλίψη, µονοαξονική, ενός υλικού, θεωρείται η τάση η απαιτούµενη για τη θραύση ενόςδοκιµίου, στο οποίο η τάση εφαρµόζεται επί της µιας έδρας του, ενώ πλευρικά είναι ελεύθερο. Αν το εφαρµοζόµενο φορτίο είναι P Kg και η επιφάνεια επί της οποίας δρα είναι F cm2, η αντοχή σε θλίψη σc είναι:

cPF

σ = , Kg/cm2

Σε πετρώµατα της ίδιας ορυκτολογικής σύστασης διαπιστώνεται ότι όσο περισσότερο ισοµεγέθεις παρουσιάζονται οι κόκκοι ή οι κρύσταλλοί του και όσο πιο λεπτοκοκκώδες τόσο µεγαλύτερη µετράται η αντοχή σε θλίψη, ενώ όταν το µέγεθος των κόκκων ποικίλλει η αντοχή µειώνεται. Από συσχετίσεις αποτελεσµάτων αντοχής σε µονοαξονική θλίψη, µε άλλες παραµέτρους του βραχώδους υλικού έχουµε:

αύξηση της πυκνότητας σηµαίνει αύξηση της αντοχής αύξηση του πορώδους σηµαίνει µείωση της αντοχής αύξηση της περιεχόµενης υγρασίας προκαλεί µείωση της αντοχής

Στα στρωσιγενή και σχιστώδη πετρώµατα, , παρατηρείται ανισοτροπία ως προς την αντοχή σε θλίψη, µε τη µεγαλύτερη τιµή να παρατηρείται κατά διεύθυνση κάθετη προς τη στρώση ή τη σχιστότητα. Ενώ στα ιζηµατογενή και εκρηξιγενή πετρώµατα η αντοχή του βραχώδους υλικού πιθανό να παρουσιάζει κάποια ανισοτροπία εξαιτίας κυρίως της παρουσίας των µικροδιακλάσεων που τέµνουν τη µάζα τους.

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟ

Ο προσδιορισµός της αντοχής σε εφελκυσµό γίνεται είτε µε άµεση µονοαξονική δοκιµή, η οποία µας δίνει και την πραγµατική τιµή, είτε µε έµµεσες µετρήσεις, όπως είναι η δοκιµή Brazillian, κάµψεως δοκού κ.α. Η γνώση της αντοχής σε εφελκυσµό των πετρωµάτων είναι απαραίτητη για τη µελέτη υπόγειων έργων, τοξωτών φραγµάτων, τοίχων αντιστηρίξεως, ευστάθειας πρανών κ.α. Εφελκυστικές τάσεις αναπτύσσονται στους δοµικούς λίθους, όχι µόνο εξ αιτίας των φορτίων, αλλά επίσης και εξαιτίας καθιζήσεως της κατασκευής, εξαιτίας των σεισµών ή και των επιδράσεων της θερµοκρασίας. Η αντοχή σε εφελκυσµό του πετρώµατος προσδιορίζεται µε τον τρόπο αυτό από τη σχέση: P

Fεσ = , όπου P το φορτίο θραύσης και F η διατοµή του δοκιµίου.

Σχηµατική διάταξη δοκιµής, άµεση δοκιµή σε καθαρό εφελκυσµό, δοκιµίων πετρώµατος

∆ιάταξη προσδιορισµού αντοχής δοκιµίων πετρώµατος σε εφελκυσµό,

ακανόνιστου σχήµατος

Συσκευή προσδιορισµού αντοχής δοκιµίων πετρώµατος σε καθαρό εφελκυσµό

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ∆ΙΑΤΜΗΣΗΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ∆ΙΑΤΜΗΣΗ

Ο προσδιορισµός της διατµητικής αντοχής γίνεται µε δοκιµές που πραγµατοποιούνται µε τη βοήθεια συσκευής που µπορεί να εφαρµόσει τριαξονική συµπίεση. Η γνώση της αντοχής σε διάτµηση, αποτελεί τη βάση για τον υπολογισµό της σταθερότητας αναχωµάτων, φραγµάτων και πρανών από χαλαρά πετρώµατα, όπως και για την αντιµετώπιση του κινδύνου πλαστικής ροής φορτισµένων εδαφών. Η αντοχή σε διάτµηση γενικά ενός χαλαρού πετρώµατος, ελαττώνεται µε τη µείωση του µεγέθους των κόκκων, και κυρίως µε την αύξηση της περιεκτικότητας σε ικανά προς διόγκωση αργιλικά ορυκτά και σε λεπτώς διαµοιρασµένα οργανικά συστατικά .

Ενδεικτικές τιµές του εύρους παραµέτρων αντοχής από πετρώµατα του Ελληνικού χώρου (στοιχεία από το αρχείο του Κ.Ε.∆.Ε)

Πέτρωµα SHV IS(50), MPa σc, MPa σt, MPa

Ασβεστόλιθος 20 - 55 2 – 7.5 20 – 200 2 - 15

Μικροκρυσταλλικός, συµπαγής ασβεστόλιθος 35 - 55 4 – 7.5 80 – 200 7 - 15

∆ολοµιτιωµένος ασβεστόλιθος 15 – 45 1 – 6 10 – 100 1- 10

Μαργαϊκός ασβεστόλιθος 10 – 35 < 1- 6 5 – 60 < 1 - 6

Μαργόλιθος, ιλυόλιθος < 10 - 30 < 1 – 3 < 1 – 40 < 1- 3

Ψαµµίτης 10 – 50 < 1 - 5 < 1 – 80 < 1- 8

Μάρµαρο 30 – 60 3 – 9 50 – 250 5 - 20

Σχιστόλιθος 10 - 45 < 1- 7 2 - 80 < 1- 6

Το εύρος των τιµών που παρουσιάζει καθένα από τα ανώτερα πετρώµατα, οφείλεται σε παράγοντες που χαρακτηρίζουν τη φυσική κατάσταση του δείγµατος, το βαθµό διαγένεσης, τη µεταβαλλόµενη ορυκτολογική σύσταση καθώς και την πιθανή ανισοτροπία.

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΤΡΙΒΗ ΚΑΙ ΚΡΟΥΣΗΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΤΡΙΒΗ ΚΑΙ ΚΡΟΥΣΗ

Ως αντοχή σε τριβή και κρούση ορίζεται η επί τοις εκατό (%) απώλεια βάρους ξηρού αντιπροσωπευτικού δείγµατος, µετά από κατεργασία µέσα σε ειδικά περιστρεφόµενα τριβεία, και αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για τη χρησιµοποίηση του σαν αδρανές υλικό. Οι µέθοδοι που χρησιµοποιούνται σήµερα για τον προσδιορισµό της φθοράς ενός πετρώµατος είναι: Los Angeles, Deval, Manheim.

Συσκευή Los Angeles

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ

Με την εκτίµηση της σκληρότητας ενός πετρώµατος είναι εφικτός ο έµµεσος προσδιορισµός της µηχανικής αντοχής του πετρώµατος σε ανεµπόδιστη θλίψη, στο οποίο συσχετίζεται η σκληρότητα µε την αντοχή και την πυκνότητα του πετρώµατος σε ξηρή κατάσταση. Γενικά η σκληρότητα ενός πετρώµατος εξαρτάται από το είδος και την αναλογία των ορυκτών που το συνθέτουν, το είδος και την αντοχή των δεσµών που αναπτύσσονται µεταξύ των ορυκτών κόκκων, αλλά και του συγκολλητικού υλικού. Εφαρµόζονται διάφοροι µέθοδοι για τον προσδιορισµό της σκληρότητας µε πιο σηµαντική τη δοκιµή µε το σφυρί αναπήδησης Schmidt τύπου L (Schmidt rebound hammer), σκληρόµετρο Shore κ.α.

∆ιαβάθµισηπετρωµάτων

Μέση ένδειξησφυριού

SHV

Πολύ µαλακάπετρώµατα < 10

Μαλακά πετρώµατα 10 - 20

Μέτρια πετρώµατα 20 – 50

Σκληρά πετρώµατα 50 – 60

Πολύ σκληράπετρώµατα > 60

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ –– ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΙΜΟΤΗΤΑΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΙΜΟΤΗΤΑ

Οι ελαστικές ιδιότητες των πετρωµάτων εκφράζονται κυρίως µε το µέτρο ελαστικότητας Ε και το λόγο του Poisson, η γνώση των οποίων είναι απαραίτητη κατά την κατασκευή των τεχνικών έργων. Το µέτρο ελαστικότητας (Ε), ορίζεται από τον νόµο του Hooke σαν ο λόγος της εξασκούµενης αξονικής τάσης προς την αξονική παραµόρφωση και αντιπροσωπεύει την δυσκαµψία (stiffness) του υλικού. Όσο µεγαλύτερη η τιµή έχει το Ε τόσο το βραχώδες υλικό είναι περισσότερο δύσκαµπτο. Ο λόγος Poisson (ν), ορίζεται ως ο λόγος της πλευρικής προς την αξονική παραµόρφωση του υλικού και είναι καθαρός αριθµός.

Οι ελαστικές ιδιότητες επηρεάζονται δυσµενώς από διάφορους γεωλογικούς παράγοντες, ρήγµατα, κατατµήσεις, µικρές µαγµατικές διεισδύσεις, σχιστότητα και οι διάφορες φλεβώσεις και ενστρώσεις, οι οποίες ενδέχεται να έχουν ως συνέπεια την παρουσία µαλακών ζωνών εντός σκληρών πετρωµάτων ή αντίστροφα. ∆ιευκρινίζεται ότι οι ελαστικές ιδιότητες που προσδιορίζονται σε κατάλληλα δοκίµια στο εργαστήριο διαφέρουν τις περισσότερες φορές σηµαντικά από τις ελαστικές ιδιότητες που προσδιορίζονται µε δοκιµές επί της βραχόµαζας του ίδιου πετρώµατος. Η διαφορά αυτή οφείλεται στην ύπαρξη στην µάζα της βραχόµαζας ιστολογικών χαρακτηριστικών και τεκτονικών ανωµαλιών που λείπουν από το µικρού µεγέθους δείγµα που φτάνει στο εργαστήριο.

O Heard 1966, προτείνει την παρακάτω ταξινόµηση µε βάση τη συνολική αξονική παραµόρφωση που παρατηρείται επί ενός δοκιµίου λίγο πριν τη θραύση του:

Πολύ ψαθυρά – very brittle, < 1% Ψαθυρά – Brittle, 1 – 3 %Μεταβατικά – Semi Brittle, 3 – 5 %Όλκιµα – Ductile, > 5 %

ΦΥΣΙΚΕΣΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝΣΥΜΠΙΕΣΤΟΤΗΤΑΣΥΜΠΙΕΣΤΟΤΗΤΑ

Η ελάττωση του όγκου χαλαρών πετρωµάτων, η οποία οφείλεται σε ελάττωση του όγκου των πόρων και αποµάκρυνση του περιεχόµενου όγκου µε παρεµπόδιση των πλευρικών παραµορφώσεων, καλείται συµπιεστότητα και συνοδεύεται από την εκδήλωση αντίστοιχων καθιζήσεων στην επιφάνεια. Η γνώση της συµπιεστότητας θεωρείται κρίσιµη προκειµένου να υπολογιστεί το µέγεθος των πιθανών καθιζήσεων και η ταχύτητά εκδηλώσεώς τους και αποτελεί την βάση για τον υπολογισµό της καθιζήσεως κτιρίων, τοίχων, φραγµάτων, επιχωµάτων κ.α.. Η συµπιεστότητα στο εργαστήριο προσδιορίζεται µε την συσκευή της συµπιέσεως, η οποία ονοµάζεται οιδόµετρο, και αποτελείται από κύλινδρο ο οποίος κλείνει µε δυο διάτρητες πλάκες (φίλτρα) και είναι εφοδιασµένος µε έµβολο.Το βάρος των υπερκειµένων κατασκευών αυξάνει την πίεση στη ζώνη θεµελιώσεως τους από Po που ήταν αρχικά, σε Po + ∆P. Ο αντίστοιχος λόγος των κενών των πετρωµάτων στην βάση έδραση της κατασκευής µειώνεται από eo σε e. Εποµένως για τη µεταβολή αυτή της πιέσεως µπορεί να τεθεί: Η τιµή παριστά των συντελεστή συµπιεστότητας, ο οποίος αντιστοιχεί σε µεταβολή της πιέσεως από της τιµής από Po, σε Po + ∆P.Συντελεστής της κατ’ όγκο συµπιεστότητας.