Τεχνικογεωλογικά χαρακτηριστικά των μαργών στην ευρεία περιοχή Κύμης και η επίδρασή τους στις κατασκευές τεχνικών έργων. Προβλήματα και αντιμετώπισή τους.

Abstract

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, διερευνήθηκε διεξοδικά η λιθολογική διάρθρωση και οι ιδιαίτερες τεχνικογεωλογικές συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή της Κύμης, Εύβοιας, καθώς και η επίδραση των σχηματισμών που δομούν την περιοχή στα υφιστάμενα τεχνικά έργα. Ειδικότερα, η όλη προσπάθεια είχε σαν στόχο τη διαμόρφωση του γεωλογικού μοντέλου της περιοχής έτσι ώστε να είναι δυνατή η κατανόηση του μηχανισμού εκδήλωσης των κατολισθητικών φαινομένων που καταγράφονται στην περιοχή έρευνας και που επηρεάζουν τη λειτουργία των τεχνικών έργων. Η ερευνητική εργασία που διενεργήθηκε στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής επικεντρώθηκε στους μαργαϊκούς σχηματισμούς, σχηματισμούς που ανήκουν στην κατηγορία «σκληρά εδάφη – μαλακοί βράχοι», όπου εντοπίζονται τα περισσότερα προβλήματα. Περιελάμβανε μια σειρά από εργασίες οι οποίες αφορούν σε δραστηριότητες γραφείου, υπαίθρου και εργαστηρίου, από την αξιoλόγηση των οποίων κατέστη δυνατή η διαμόρφωση τεχνικογεωλογικής κρίσης. Με βάση τη μεθοδολογική προσέγγιση που αναπτύχθηκε, αρχικά συλλέχθηκε κάθε γεωλογική πληροφορία από βιβλιογραφικές αναφορές (η δομή του υποβάθρου και των υπερκείμενων σε αυτό σχηματισμών, η στρωματογραφική διάρθρωση, η τεκτονική εξέλιξη, το υδρογεωλογικό καθεστώς, τα κλιματολογικά και γεωμορφολογικά στοιχεία κ.α.), η οποία αποτέλεσε το υπόβαθρο για τη διαμόρφωση μιας πληρέστερης θεώρησης σχετικά με το τεχνικογεωλογικό προφίλ των μαργαϊκών σχηματισμών και της ιδιάζουσας συμπεριφοράς τους. Σε δεύτερο επίπεδο ανάλυσης συνεκτιμήθηκαν τα αποτελέσματα από τις ερευνητικές εργασίες υπαίθρου και των εργαστηριακών αναλύσεων και δοκιμών. Οι εργασίες υπαίθρου συνέβαλαν στην διερεύνηση και καταγραφή των τεχνικογεωλογικών και γεωμορφολογικών συνθηκών, που επικρατούν στην περιοχή έρευνας. Αποτέλεσμα των διεργασιών αυτών αποτέλεσε η σύνταξη του τεχνικογεωλογικού χάρτη. Αναφορικά στα αποτελέσματα που προέκυψαν από την πραγματοποίηση των εργαστηριακών δοκιμών, έγινε μια προσπάθεια συσχέτισης των ορυκτολογικών με τα φυσικομηχανικά χαρακτηριστικά, για την πληρέστερη προσέγγιση της ιδιομορφίας στην συμπεριφορά των μαργαϊκών σχηματισμών. Κατόπιν συλλέχθηκε και επεξεργάστηκε κάθε σχετική παράμετρος που θεωρήθηκε ότι επιδρά στην εκδήλωση κατολισθητικού φαινομένου με τη δημιουργία χωρικής βάσης δεδομένων. Συγκεκριμένα, αποτυπώθηκαν σε περιβάλλον Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (ΓΣΠ) δεδομένα που αφορούν στην τεχνικογεωλογική διάρθρωση, τις τοπογραφικές παραμέτρους (υψόμετρο, μορφολογικές κλίσεις, διεύθυνση μορφολογικών κλίσεων, καμπυλότητα αναγλύφου), τα υδρογραφικά και τεκτονικά χαρακτηριστικά (απόσταση από υδρογραφικό δίκτυο, συντελεστής τοπογραφικό δείκτη ύγρανσης, απόσταση από τεκτονικά χαρακτηριστικά), την χρήση γης κλπ. Σκοπός της διεργασίας αυτής ήταν η δημιουργία χωρικού μοντέλου πρόβλεψης της κατολισθητικής επιδεκτικότητας με την εφαρμογή της μεθόδου Weight of Evidence. Στη συνέχεια, η δημιουργία του χάρτη διακινδύνευσης για την περιοχή έρευνας, στηρίχθηκε στην υιοθέτηση παραδοχών σχετικά με την επικινδυνότητα και την αποτύπωση των επιπτώσεων που θα έχει μια εκδήλωση γεωλογικής αστοχίας επί των στοιχείων σε διακινδύνευση. Με την συναξιολόγηση όλων των ανωτέρων διεργασιών εντοπίζονται επισφαλείς θέσεις και προτείνονται μέτρα θεραπείας και πρόληψης για τη μείωση των ενδεχόμενων καταστροφών επί των τεχνικών έργων και την εξασφάλιση της ευρυθμής λειτουργίας τους. Η διάρθρωση της παρούσας διδακτορικής διατριβής έγινε κατά τέτοιο τρόπο ώστε να εξετάζονται διεξοδικά μια σειρά από παράμετροι που συμβάλουν στην πληρέστερη κατανόηση της συμπεριφοράς των μαργών στην περιοχή μελέτης, αλλά και στην εξαγωγή τεχνικογεωλογικών κρίσεων για την υφιστάμενη κατάσταση ως προς την εκδήλωση κατολισθητικών φαινομένων. Στα κεφάλαια που ακολουθούν, συνοπτικά περιλαμβάνονται τα ακόλουθα: Στο 1ο κεφάλαιο δίνονται τα εισαγωγικά στοιχεία για το αντικείμενο μελέτης της διδακτορικής διατριβής, η μεθοδολογική προσέγγιση πάνω στην οποία στηρίχτηκε και προσδιορίζεται η επιστημονική πρωτοτυπία της. Στο κεφάλαιο 2, εξαιτίας της πολύπλοκης συμπεριφοράς των μαργαϊκών σχηματισμών που ανήκουν στην κατηγορία των «σκληρών εδαφών - μαλακών βράχων», αναλύονται τα αίτια και οι μηχανισμοί που επιδρούν στη διαμόρφωση της τεχνικογεωλογικής συμπεριφοράς τους. Στο 3ο κεφάλαιο αποτυπώνονται γενικά στοιχεία για τις φυσικές καταστροφές και ειδικότερα για τα κατολισθητικά φαινόμενα, με αναφορές τόσο από το διεθνή χώρο όσο και από την Ελληνική επικράτεια. Παρατίθενται και σχολιάζονται οι τεχνικές και μέθοδοι εκτίμησης του κατολισθητικού κινδύνου και της κατολισθητικής επιδεκτικότητας. Το κεφάλαιο 4 αναφέρεται στα γενικά χαρακτηριστικά της περιοχής Κύμης, με στοιχεία που αφορούν γεωγραφική εξάπλωση, κλιματολογικά στοιχεία και πληροφορίες για τις χρήσεις γης, ενώ παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μορφολογικής και υδρολογικής ανάλυσης που πραγματοποιήθηκε με εφαρμογή σχετικών λειτουργιών των ΓΣΠ. Στο 5ο κεφάλαιο, παρατίθενται η γεωλογική και τεκτονική εξέλιξη της νεογενούς λεκάνης Κύμης – Αλιβερίου, καθώς και τα στοιχεία που αφορούν τη σεισμική δραστηριότητα της ευρύτερης περιοχής. Στο 6ο κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι τεχνικογεωλογικές συνθήκες, η φυσική κατάσταση και η γεωμηχανική συμπεριφορά των σχηματισμών της Κύμης. Στο κεφάλαιο αυτό παρατίθεται ο τεχνικογεωλογικός χάρτης που συντάχθηκε στα πλαίσια της παρούσης διδακτορικής διατριβής και γίνεται αναφορά στη γεωτεχνική θεώρηση των επί μέρους λιθολογικών ενοτήτων. Στο κεφάλαιο 7 ακολουθούν οι αναλυτικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν στην εργαστηριακή μελέτη των διαφόρων οριζόντων των μαργαϊκών σχηματισμών. Για τους σκοπούς της έρευνας, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές προσδιορισμού της ορυκτολογικής σύστασης (ΟΜ, XRD, DTA, FT-IR), καθώς και εργαστηριακές δοκιμές προσδιορισμού των φυσικομηχανικών ιδιοτήτων των μαργαϊκών σχηματισμών της περιοχής έρευνας (κοκκομετρική διαβάθμιση, όρια συνεκτικότητας, φυσική υγρασία, δοκιμή στερεοποίησης, δοκιμή άμεσης διάτμησης, τριαξονική φόρτιση, αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη για εδαφικά και ακέραια πετρώματα, δοκιμή σημειακής φόρτισης και δοκιμή φόρτισης κατά γενέτειρα, Brazilian test). Στο ίδιο κεφάλαιο επιτυγχάνεται η συσχέτιση των τεχνικογεωλογικών χαρακτηριστικών και της ορυκτολογικής σύστασης των μαργών που αναλύθηκαν εργαστηριακά. Το κεφάλαιο 8 παρουσιάζει την εκτενή έρευνα υπαίθρου που πραγματοποιήθηκε στην περιοχή έρευνας. Ξεκινάει με μια ιστορική αναδρομή των προβλημάτων που σημειώνονται στα τεχνικά έργα της περιοχής Κύμης και στη συνέχεια ακολουθεί η περιγραφή της υφιστάμενης κατάστασης, με πλήρη καταγραφή των κατολισθητικών φαινομένων. Στο 9ο κεφάλαιο παρουσιάζεται το μοντέλο εκτίμησης της επιδεκτικότητας σε κατολισθητικά φαινόμενα που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής χρησιμοποιώντας την μέθοδο Weight of Evidence για την περιοχή Κύμης. Στο 10ο κεφάλαιο αξιοποιήθηκε ο χάρτης επιδεκτικότητας σε κατολισθητικά φαινόμενα με τη δημιουργία του χάρτη διακινδύνευσης, χρησιμοποιώντας ως στοιχεία διακινδύνευσης τα πληθυσμιακά στοιχεία, το οδικό δίκτυο και τις χρήσεις γης. Σε εντοπισμένες θέσεις που διαπιστώνονται προβλήματα, προτείνονται τρόποι αντιμετώπισης αυτών. Στο τελευταίο κεφάλαιο 11, δίνονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από όλα τα στάδια έρευνας και σχολιάζονται συνοπτικά ζητήματα που αφορούν μελλοντική έρευνα.

In the present thesis, the specific engineering geological conditions prevailing in the area of Kimi, Evia, as well as the impact of the behavior of the formations that compose the region, were investigated. The main purpose of the thesis was to develop a geological model of the study area, in order to understand the mechanism of the manifestation of landslide and their impact on the constructions. The research work carried out in the present doctoral thesis focused on marl formations, that are categorized as "hard soils - soft rocks", where most of the instability problems were identified. The research included a series of tasks which were related to office activities, field investigations and laboratory tests, the evaluation of which made possible the development of the general engineering geological judgment. Based on the methodological approach developed, geological data and information from bibliographic references (the structure of the bedrock and overburden, the stratigraphic structure, the tectonic evolution, the hydrogeological, climatic and geomorphological features, etc.) were collected to form the background to the development of a complete approach of the engineering geological profile of marl formations and their behavior. At a second level of analysis, the results of the research field work and the laboratory analysis and testing were taken into account. The field work contributed to the investigation and recording of engineering geological and geomorphological conditions prevailing in the region. The result of these processes was the compilation of the engineering geological map at a scale of 1:25.000. Regarding the results obtained from the implementation of laboratory tests, an attempt was made in order to correlate the mineralogical with the physical and mechanical characteristics, for the comprehensive approach to the special behavior of marl formations. Subsequently, each relevant parameter considered to affect the occurrence of landslide events were collected and processed by creating spatial database. Specifically, data related to the engineering geological conditions, the topographic parameters (elevation, slope, aspect, and curvature), the hydrographic and tectonic features (distance from hydrographic network, wetness index, distance from tectonic features), land use, etc were depicted in an environment of Geographic Information Systems (GIS). The purpose of this process was the creation of a spatial predictive model of landslide susceptibility by applying the method Weight of Evidence. The compilation of the landslide risk map was based on certain assumptions about hazard characterization and the impact of a landslide incidence on the elements at risk. Regarding the co-evaluation of all the above processes, precarious areas were identified, while mitigation and preventive measures were proposed to reduce the potential impact on structures and ensure proper functioning. The structure of this thesis has been designed to allow screening a set of parameters that contribute to a better understanding of the behavior of marl formations in the study area, but also to inference regarding the engineering geological conditions. Below, a description of the chapters’ content follows: The first chapter provides a brief description of the objective and the methodological approach on which the present thesis was based and also outlines the scientific originality of the thesis. The second chapter includes the analysis of the mechanism that influences the geotechnical behavior, due to the complex behavior of the marl formations that belong to the category "hard soils - soft rocks". The third chapter encapsulates the information concerning natural disasters and especially landslide phenomena, with references from both the international and the Greek territory. It provides a general overview of the techniques and methods for assessing landslide risk and landslide susceptibility. Chapter 4 deals with the general characteristics of the region of Kimi, concerning geographic data, climatic data and information on land use, while presents the results of the detailed morphological and hydrological analysis that was performed by applying the relevant functions of a Geographical Information System (GIS). The fifth chapter refers to the geological and tectonic evolution of the Neogene basin Kimi - Aliveriou and presents also the relative data and information about the seismic activity in the wider region of Kimi. The sixth chapter includes the presentation of the engineering geological conditions, the physical settings and the geomechanical behavior of the geological formations that cover the area of Kimi. The chapter includes the engineering geological map that was compiled in the context of this thesis and also refers to geotechnical consideration of the individual lithological units. Chapter 7 includes the analytical techniques used in the laboratory to study the various horizons of the marl formations. Numerous tests were conducted to determine the mineralogical composition (OM, XRD, DTA, FT-IR), and tests to determine the physical and mechanical properties of the marl formations (grain size distribution, consistency limits, natural moisture, consolidation test, direct shear test, tri-axial loading, unconfined compression strength of soil and intact rock, Point Load testing and Brazilian test). In the final section of the chapter the correlation between the geotechnical characteristics and the mineralogical composition of marl formations is presented. Chapter 8 concerns the extensive field research carried out in the wider area of Kimi. It presents an overview of the instability problems occurring in the area of Kimi and also presents the current conditions found in the area with a full inventory of the landslide incidents. Chapter 9 presents the landslide susceptibility model developed in this thesis that utilizes the Weight of Evidence method. In the 10th chapter the developed landslide susceptibility map was used in the compilation of the landslide risk map, using as evidence in risk the population data, the infrastructure network and the land uses. In localized sites in which, one can identify instability problems, specific mitigation and relief measures were proposed. In the last chapter, 11th, the final conclusions are given and briefly discuss issues concerning future research.