Μελέτη της επίδρασης του φαινομένου του ερπυσμού του γεωυλικού στη φόρτιση της τελικής επένδυσης σηράγγων

Abstract

Πολλές φορές κατά τη διάνοιξη και κατασκευή σηράγγων, παρατηρούνται έντονες παραμορφώσεις στην άμεση υποστήριξη ή υψηλές πιέσεις επί της τελικής επένδυσης περιμετρικά της σήραγγας. Το γεγονός αυτό συχνά οφείλεται στο χρονικά εξαρτημένο φαινόμενο του ερπυσμού, η μελέτη του οποίου τις περισσότερες φορές παραλείπεται πριν ξεκινήσει η κατασκευή. Ωστόσο, στην περίπτωση που η σήραγγα διανοίγεται σε χαμηλής ποιότητας βραχόμαζα, οι συνέπειες του φαινομένου του ερπυσμού είναι δυνατό να προκαλέσουν σοβαρά προβλήματα που μπορεί να οδηγήσουν ακόμη και σε αστοχία του έργου. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να μελετηθεί η επίδραση του φαινομένου του ερπυσμού στην ανάπτυξη των φορτίων που καλείται να παραλάβει η τελική επένδυση σήραγγας κυκλικής διατομής (D=10m) και βάθους διάνοιξης H=100m και η συσχέτιση των φορτίων αυτών με τις μηχανικές και ιξωδοελαστικές παραμέτρους του γεωυλικού. Αρχικά, παρουσιάζονται όλα τα θεωρητικά στοιχεία τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για τη ολοκλήρωση της συγκεκριμένης εργασίας και στη συνέχεια, γίνεται η περιγραφή του προβλήματος που μελετήθηκε. Το πρόβλημα επιλύεται σε δύο διαστάσεις στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS, ενώ το προσομοίωμα που χρησιμοποιήθηκε στις αναλύσεις δημιουργήθηκε στο σχεδιαστικό περιβάλλον του MSC Patran. Έπειτα από εκτεταμένη έρευνα στη διεθνή βιβλιογραφία σχετικά με το φαινόμενο του ερπυσμού, πολύτιμη βοήθεια στην περαίωση της εργασίας προσέφεραν οι διδακτορικές διατριβές των Debernardi (2008) και Aristorenas (1987). Οι Debernardi (2008) και Aristorenas (1987) στο πλαίσιο των διδακτορικών τους διατριβών πραγματοποίησαν πειράματα ερπυσμού, για τη βαθμονόμηση των καταστατικών προσομοιωμάτων που πρότειναν. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, για την προσομοίωση της ερπυστικής συμπεριφοράς της περιβάλλουσας βραχόμαζας χρησιμοποιήθηκε το καταστατικό προσομοίωμα των Singh & Mitchell (1968). Ωστόσο, επιλέχθηκε να μην ποσοτικοποιηθεί η ερπυστική συμπεριφορά μέσω των παραμέτρων που υπεισέρχονται στο συγκεκριμένο καταστατικό προσομοίωμα, καθώς δεν είναι ‘’φιλικές’’ και ευκολονόητες προς το μηχανικό. Προέκυψε λοιπόν, η ανάγκη έκφρασης τους ως προς κάποιες πιο ‘’προσιτές’’, που να παραπέμπουν σε συγκεκριμένες ομάδες βραχόμαζας. Συνεπώς, από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων των πειραμάτων που εκτέλεσαν οι Debernardi (2008) και Aristorenas (1987) η ερπυστική συμπεριφορά ποσοτικοποιήθηκε μέσω της παραμέτρου φcr, που αποτελεί το μέτρο της ερπυστικής παραμόρφωσης που είναι δυνατό να αναπτυχθεί. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε πλήθος αριθμητικών αναλύσεων, τα αποτελέσματα των οποίων μελετήθηκαν και συγκρίθηκαν ποσοτικά και ποιοτικά. Προέκυψαν αποτελέσματα για τις αναπτυσσόμενες μετατοπίσεις και πλαστικές παραμορφώσεις περιμετρικά της σήραγγας, τις κατανομές των πιέσεων επί του εκτοξευόμενου σκυροδέματος και επί της τελικής επένδυσης και τις επιπρόσθετες πιέσεις στην τελική επένδυση λόγω της επιβολής του ερπυσμού. Σημαντικό ρόλο στις αναλύσεις έλαβαν ο συντελεστής οριζόντιων τάσεων K, ο δείκτης βραχόμαζας σc/po,m και ο ερπυστικός συντελεστής φcr. Διατηρώντας κάθε φορά κάποιες παραμέτρους σταθερές, μελετήθηκε η επίδραση των παραμέτρων που μεταβάλλονται, στο φορτίο που καλείται να αναλάβει η τελική επένδυση. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην επίδραση της παραμέτρου φcr στην εκδήλωση του φαινομένου. Στο τελευταίο κεφάλαιο της διπλωματικής εργασίας συνοψίζεται το σύνολο των συμπερασμάτων που προέκυψαν καθ’ όλη τη διάρκεια της εκπόνησής της. Συμπερασματικά, παρατηρήθηκε πως η επιβολή του ερπυσμού προσαυξάνει τα φορτία που καλείται να παραλάβει η τελική επένδυση κατά ένα ποσοστό της τάξεως του 20-30%, ποσοστό σημαντικό ώστε το φαινόμενο να μην αγνοείται κατά το σχεδιασμό των σηράγγων.

The development of intense deformation of the temporary support section and high stresses on the final lining are widely observed during the excavation and construction of tunnels, especially in the case of unfavourable geotechnical conditions. The specific problems are usually assigned to the time-dependent behaviour of the surrounding geomaterial, the study of which is often ignored before the beginning of the construction. However, in cases of tunnels excavated into poor quality rock mass, the consequences of creep can cause serious problems that may even result in failure of the structure. The present thesis intends to study the influence of the creep phenomenon on the development of the loads, which the final lining of a tunnel with circular cross section (D=10m) and excavation depth H=100m is designed to undertake, as well as the correlation of these loads with the mechanical and viscoelastic parameters of the geomaterial. Initially, the theory that was applied in the present diploma thesis is presented and the problem that was studied is described. The specific problem is solved through two-dimensional analysis using the finite element code ABAQUS 6.9.1, while the numerical model used in the analysis, was designed in the environment of MSC Patran. Valuable data to the completion of the present thesis was offered by the PhD theses of Debernardi (2008) and Aristorenas (1987), after thorough search of the international bibliography referring to the creep phenomenon. Debernardi (2008) and Aristorenas (1987) carried out creep experiments in the frame of their PhD theses, in order to calibrate the constitutive models they proposed. The constitutive model of Singh & Mitchell (1968) was used for the simulation of the creeping behaviour of the surrounding rock mass in the present thesis. However, we choose not to quantify initially the creep behaviour through the parameters entered into the specific constitutive model, because they are not friendly and easy to understand. Therefore, it was required to express the above mentioned parameters according to more characteristic results by Debernardi (2008) and Aristorenas (1987), resulted in the quantification of the creeping behaviour through the parameter φcr, which depicts the amount of the creep deformation that can potentially be developed. Subsequently, a large number of numerical analyses was carried out, the results of which were studied and compared qualitatively and quantitatively. These results refer to the developed deformations and plastic strains around the tunnel section, the stress distributions on the shotcrete and the final lining and the additional stresses on the final lining due to the imposition of creep. The impact of the horizontal stress ratio K, the geotechnical conditions index σc/p0,m and the creep coefficient φcr was the most significant, among all the parameters, in the analyses. Maintaining some parameters constant each time, the influence of the variable parameters, on the load to be undertaken by the final lining of the tunnel was studied. Particular emphasis was placed on the effect of the parameter φcr on the occurrence of the phenomenon. In the last chapter of the thesis all the conclusions obtained during its progress are summarized. Finally, it is observed that the imposition of creep increases the loads that final lining is designed to undertake at a rate of 20-30%, so the phenomenon of creep must be taken into account during the construction of tunnels.