Διερεύνηση της ιξώδους συμπεριφοράς της βραχόμαζας γύρω από σήραγγα

Abstract

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία πραγματεύεται το θέμα της ιξώδους συμπεριφοράς που ενδεχομένως παρουσιάζει η περιβάλλουσα βραχόμαζα μίας σήραγγας. Σημειώνεται ότι ιξώδη, δηλαδή χρονικά εξαρτώμενη, συμπεριφορά είναι δυνατό να παρουσιάσουν όλα τα πετρώματα. Το ζήτημα όμως είναι το εάν και σε τι βαθμό θα ενεργοποιηθεί η δυνατότητα αυτή των πετρωμάτων να εμφανίσουν ιξώδη συμπεριφορά σε μία συνήθη κατασκευή όπως είναι μία σήραγγα. Σκοπός της Εργασίας αυτής είναι η κατά το δυνατό πληρέστερη προσέγγιση του παραπάνω αντικειμένου, καθώς και ο εντοπισμός και η αποσαφήνιση όλων των στοιχείων που σχετίζονται με αυτό. Στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας Εργασίας, το οποίο ουσιαστικά αποτελεί και την εισαγωγή στο θέμα που πραγματεύεται, γίνεται μία εκτενής αναφορά στο φαινόμενο της σύνθλιψης των πετρωμάτων και στο συσχετισμό αυτού με το συγγενές φαινόμενο του ερπυσμού. Στη μηχανική των πετρωμάτων άλλωστε, η χρονικά εξαρτώμενη συμπεριφορά της βραχόμαζας είναι γνωστή και ως ερπυσμός. Επομένως, μέσω της εκτενούς αυτής αναφοράς στα δύο προαναφερθέντα φαινόμενα, αποσαφηνίζονται θεμελιώδεις έννοιες και δημιουργείται έτσι η θεωρητική βάση της Διπλωματικής αυτής Εργασίας. Παράλληλα, στο κεφάλαιο αυτό πραγματοποιείται και μία αναλυτική περιγραφή του σκοπού της παρούσας Εργασίας. Στο Κεφάλαιο 2 παρατίθενται και επεξηγούνται ορισμένα απλουστευμένα μοντέλα ροϊκής συμπεριφοράς, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για την αρχική προσέγγιση του φαινομένου της σύνθλιψης λόγω ερπυσμού, τόσο των ιξωδοελαστικών, όσο και των ιξωδοπλαστικών πετρωμάτων. Πιο συγκεκριμένα, αναλύεται ο τρόπος λειτουργίας τους μέσω κατάλληλου συνδυασμού μηχανικών στοιχείων, ενώ αναλύονται συνοπτικά και οι καταστατικές εξισώσεις που τα διέπουν. Ένα από τα απλουστευμένα μοντέλα ροϊκής συμπεριφοράς που περιγράφονται είναι το μοντέλο Burgers. Στη συνέχεια του κεφαλαίου αναλύονται ορισμένες κλειστές λύσεις που έχουν αναπτυχθεί για το απλουστευμένο αυτό μοντέλο, ενώ παράλληλα επεξηγούνται και οι παράμετροι ερπυσμού που ουσιαστικά περιγράφουν τη χρονικά εξαρτώμενη συμπεριφορά των ιξωδοελαστικών πετρωμάτων, και κατ’ επέκταση των ιξωδοπλαστικών. Τέλος, παρατίθενται τα αποτελέσματα παραμετρικής ανάλυσης που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της Εργασίας αυτής, η οποία είχε ως στόχο τη διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων ερπυσμού στην εκδήλωση του φαινομένου της σύνθλιψης λόγω ερπυσμού. Για την παραμετρική αυτή ανάλυση, χρησιμοποιήθηκαν οι κλειστού τύπου επιλύσεις που αναφέρονται παραπάνω, ενώ πραγματοποιήθηκε και μία εκτεταμένη έρευνα στη διεθνή βιβλιογραφία για την αναζήτηση παραμέτρων ερπυσμού διαφόρων πετρωμάτων, τα αποτελέσματα της οποίας επίσης παρουσιάζονται στο κεφάλαιο αυτό. Η εκτενέστερη προσέγγιση του φαινομένου της σύνθλιψης λόγω ερπυσμού γύρω από σήραγγες, πραγματοποιήθηκε μέσω αριθμητικών αναλύσεων. Για τη διεξαγωγή των αναλύσεων αυτών χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό προσομοίωσης Flac 3D (Itasca, 2006). Το σύνολο των αριθμητικών αναλύσεων της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας διαχωρίστηκε σε τρεις επιμέρους φάσεις προσομοιώσεων. Στο Κεφάλαιο 3 πραγματοποιείται μία συνοπτική περιγραφή του Flac 3D ως προς τον τρόπο με τον οποίο επεξεργάζεται γεωτεχνικά προβλήματα, ενώ αναλύεται και η πρώτη φάση των προσομοιώσεων. Στόχοι της φάσης αυτής ήταν αφενός η εκμάθηση του τριδιάστατου κώδικα Flac 3D και αφετέρου, η εξέταση του συνόλου των παραμέτρων που επηρεάζουν τις αριθμητικές αναλύσεις. Η εξέταση αυτή πραγματοποιήθηκε μέσω συγκρίσεων με τις κλειστές λύσεις του προηγούμενου κεφαλαίου, τα αποτελέσματα των οποίων παρατίθενται στο τρίτο κεφάλαιο και στο Παράρτημα Α. Κατά τη δεύτερη φάση των προσομοιώσεων, η οποία αναλύεται στο Κεφάλαιο 4, πραγματοποιήθηκε μία σειρά παραμετρικών αριθμητικών αναλύσεων με σκοπό τη λεπτομερέστερη διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων ερπυσμού στο φαινόμενο της σύνθλιψης. Για τις παραμετρικές αυτές αναλύσεις κατασκευάστηκε μία σειρά αξισυμμετρικών αριθμητικών μοντέλων προσομοίωσης, τα οποία βασίστηκαν ουσιαστικά στα μοντέλα της πρώτης φάσης προσομοιώσεων. Από τις παραμετρικές αυτές αναλύσεις προέκυψε ένας πολύ μεγάλος όγκος αποτελεσμάτων και σχολίων επ’ αυτών. Τα σχόλια και ορισμένα από τα αποτελέσματα αυτά παρατίθενται στο τέταρτο κεφάλαιο, ενώ το σύνολο των υπόλοιπων αποτελεσμάτων επισυνάπτεται στο Παράρτημα Β της Εργασίας. Η τρίτη και τελική φάση των προσομοιώσεων είχε ως στόχο τη διεξαγωγή προσομοιώσεων για ένα πραγματικό έργο (μελέτη περίπτωσης – case study). Το έργο αυτό είναι η σήραγγα «Μαύρα Λιθάρια» του νέου αυτοκινητοδρόμου «Ολυμπία Οδός», η οποία βρίσκεται υπό κατασκευή. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα στοιχεία της σήραγγας αυτής, έτσι όπως αντλήθηκαν από τη μελέτη του έργου (ΟΤΜ, 2009). Αναλύονται ακόμη τα τριδιάστατα μοντέλα που κατασκευάστηκαν για την προσομοίωση της σήραγγας, και τέλος παρατίθενται τα αποτελέσματα που προέκυψαν, και σχολιάζονται ως προς τις συγκρίσεις που πραγματοποιήθηκαν με επιτόπου μετρήσεις του έργου. Σημειώνεται ότι λόγω του όγκου των αποτελεσμάτων και αυτής της φάσης των προσομοιώσεων, ορισμένα από αυτά τα αποτελέσματα επισυνάπτονται στο Παράρτημα Γ της Εργασίας. Στο τελευταίο κεφάλαιο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας συνοψίζεται το σύνολο των συμπερασμάτων που προέκυψαν καθ’ όλη τη διάρκεια της εκπόνησής της. Σχολιάζονται τόσο οι διαπιστώσεις από τη βιβλιογραφική και θεωρητική έρευνα που περιλαμβάνει η Εργασία αυτή, όσο και από το σύνολο των τριών φάσεων των αριθμητικών προσομοιώσεων. Τέλος, διατυπώνονται συγκεκριμένες προτάσεις για περαιτέρω έρευνα σχετικά με το φαινόμενο του ερπυσμού των πετρωμάτων κατά τη διάνοιξη σηράγγων.

The object of this Thesis is the viscous behaviour that might be presented in the surrounding rock mass of a tunnel. It is noted that viscous, meaning time dependent behaviour, can be presented in all kinds of rocks. However, as far as a tunnel is concerned, the question is if, and to what extent viscous behaviour could be exhibited in rocks of such a common construction. The aim of the Thesis is to provide a complete answer to this question, as well as trace and clarify all the relevant features. Chapter 1 of the Thesis is an introduction to the object of research through an extensive reference to the squeezing phenomenon and its association with the related one of creep. In rock mechanics, the time dependent behaviour of the rock mass is also known as creep. Therefore, the extensive reference to those two phenomena helps clarify basic concepts, and in that way provide a theoretical basis for the Thesis. In the same chapter, it is also provided a detailed description of the aims set in this Project. In Chapter 2, certain simplified models of rheological behaviour are presented and analysed. These were used as an initial approach of the squeezing phenomenon caused by creep, in viscoelastic as well as viscoplastic rocks. More specifically, what is analysed is firstly, the way the models function through a suitable combination of mechanic elements, and secondly and more briefly, the constitutional equations that they are ruled by. One of the simplified rheological models which are described is that of Burgers’. A number of closed form solutions developed for this simplified model, are analysed. At the same time, it is explained how the creep parameters describe the time dependent behaviour of the viscoelastic, and by extension, the viscoplastic rocks. Finally, the results of the parametrical analysis realized for this Project, are presented. The aim of this analysis was a research on the effect creep parameters have when squeezing caused by creep takes place. The closed form solutions already mentioned were used for this parametrical analysis. It should be noted that an extensive research through the international bibliography in order to trace parameters of creep in different rocks, has provided an important amount of information, which is included in this chapter, too. Numerical analyses helped proceed to a more thorough work on the squeezing phenomenon caused by creep around tunnels. In order to perform the above mentioned analyses, Flac 3D (Itasca, 2006) software simulation was used. The numerical analyses performed in the context of the whole Thesis were divided into three separated phases of simulation. Chapter 3 includes a brief description of Flac 3D, focusing on the way it deals with geotechnical issues, and an analysis of the simulations of the first phase. The aims set in this phase were on the one hand, learning the three-dimensional code Flac 3D and on the other, testing the number of parameters that affect the numerical analyses. This testing was performed by comparing those analyses to the closed form solutions discussed in the previous chapter. The results from these comparisons are presented in Chapter 3 and Appendix A. Chapter 4 includes a series of parametrical numerical analyses, which were performed during the second phase of simulations in order to research in more details the effect creep parameters have on the squeezing phenomenon. A number of axisymmetric numerical simulation models were designed, based on the models of the first phase of simulation. The outcome of those analyses was a great number of results followed by comments. All of the comments and several results are presented in Chapter 4, while the rest of the results are attached to Appendix B. The aim of the third, which is the final phase of simulations, was performing a number of them at an actual construction; in other words, working on a case study. The construction used is the tunnel “Mayra Litharia”, which is part of the new motorway “Olympia Odos”, and is still being excavated. Research on this construction (OTM, 2009) has provided information about the specific tunnel, which is included in Chapter 5. Three-dimensional models constructed for the simulation of the tunnel are analysed in the same chapter. Finally, the results that arose are presented and discussed in connection to the comparisons to the measurements made at the construction. It should be pointed that since there was a great number of results taken in this phase of simulation, too, some of them are attached to Appendix C. The last chapter of the Thesis includes a summary of the conclusions. More specifically, there is a discussion of the conclusions drawn on the basis of both the bibliographical and theoretical research done for this Project, and the three phases of the numerical simulations. Last but not least, specific proposals are made for further research on the phenomenon of creep in rocks during the excavation of tunnels.