Πειραματική συσχέτιση μεταξύ γωνίας τριβής ασυνεχειών πετρωμάτων και συντελεστή mi του κριτηρίου Hoek & Brown

Περίληψη

Στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή διερευνάται η πιθανή συσχέτιση μεταξύ της γωνίας τριβής των ασυνεχειών πετρωμάτων και της σταθεράς mi του κριτηρίου Hoek & Brown. Σύμφωνα με τον Hoek (1983) η σταθερά mi προσδιορίζεται μέσω τριαξονικών δοκιμών σε εύρος πλευρικών πιέσεων (σ3) 0?σ3?0.5σci , όπου σci είναι η θλιπτική αντοχή του άρρηκτου πετρώματος. Το πρόγραμμα εργαστηριακών δοκιμών περιελάμβανε μια σειρά από δοκιμές άμεσης διάτμησης σε τεχνητές ασυνέχειες που προέκυψαν από εφελκυστική διάρρηξη και μια σειρά από δοκιμές τριαξονικής θλίψης σε δείγματα ακεραίου πετρώματος. Χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις τύποι πετρωμάτων με εύρος θλιπτικής αντοχής 59 έως 117 MPa: Γρανίτης Αρναίας, Ψαμμίτης Δεματίου, Ασβεστόλιθος Μεσαίου και το Μάρμαρο Καβάλας. Τα δοκίμια για τους δύο τύπους εργαστηριακών δοκιμών προέκυψαν από το ίδιο αρχικό τέμαχος. Στη δοκιμή άμεσης διάτμησης χρησιμοποιήθηκαν πέντε ή έξι δοκίμια για κάθε τύπο πετρώματος μήκους 8-12 cm τα οποία υποβλήθηκαν σε 6 ορθές τάσης στο εύρος 0-2MPa, συμπεριλαμβανομένης μιας δοκιμής υπό το ίδιο  βάρος που αντιστοιχεί σε ορθή τάση περίπου 5 kPa, η οποία πραγματοποιήθηκε στην αρχή. Συνολικά εκτελέστηκαν 138 δοκιμές άμεσης διάτμησης. Τουλάχιστον οκτώ κυλινδρικά δοκίμια για κάθε τύπο πετρώματος διαμορφώθηκαν με διάμετρο 54cm και λόγο διαμέτρου/ύψους 1:2 τα οποία υποβλήθηκαν σε τριαξονική θλίψη σε εύρος πλευρικής πίεσης 0-70 MPa. Ο συνολικός αριθμός τριαξονικών δοκιμών ήταν 42, εκ των οποίων οι  4 μονοαξονικής θλίψης.  Οι τιμές της γωνίας τριβής του υλικού των τοιχωμάτων των ασυνεχειών φm υπολογίστηκαν από την μετρούμενη μέγιστη διατμητική αντοχή αφαιρώντας την αντίστοιχη ενεργοποιούμενη διαστολή. Οι τιμές της σταθεράς mi του κριτηρίου Hoek & Brown υπολογίστηκαν από τις τριαξονικές δοκιμές που εκτελέστηκαν σε εύρος πλευρικών πιέσεων 0?σ3?0.5σci. Τα εργαστηριακά δεδομένα δείχνουν πως η σταθερά  mi του  κριτηρίου Hoek & Brown αυξάνεται λογαριθμικά  με τη μείωση της γωνίας τριβής των τοιχωμάτων των ασυνεχειών (φm), από mi=8.9 για το μάρμαρο Καβάλας (φm =39°) σε mi=34.0 για το γρανίτη Αρναίας (φm =35°). Η κυριότερη χρησιμότητα της μεθόδου συνίσταται
στον προσδιορισμό του mi  μέσω  μιας σειράς δοκιμών άμεσης διάτμησης ασυνεχειών με σκοπό την εύρεση της γωνίας τριβής φm, δεδομένου ότι ο εργαστηριακός προσδιορισμός του απαιτεί σειρά τριαξονικών δοκιμών σε ικανό εύρος πλευρικών πιέσεων, εργασία που απαιτεί σημαντικά ακριβέστερη προετοιμασία και μεγαλύτερο κόστος. Τέλος, απαιτείται μεγαλύτερος αριθμός διαφορετικών τύπων πετρωμάτων  ώστε να αυξηθεί ο αριθμός των πειραματικών σημείων στο διάγραμμα και η αξιοπιστία της σχέσης, η οποία με τον τρόπο αυτό θα λάβει ακριβέστερη έκφραση.

The aim of this thesis is to investigate experimentally the relation between the friction angle of rock surfaces determined by direct shear testing and the constant mi of the Hoek & Brown criterion for intact rock. According to Hoek (1983) the constant mi, that is determined from triaxial tests under confining pressures (σ3) in the range 0?σ3?0.5σci, where σci is the unconfined compressive strength, is very approximately analogous to the angle of friction, of the conventional  Mohr-Coulomb failure criterion. The testing program consisted of a series of laboratory direct shear tests on artificially generated tensile fractures and a series of triaxial compression tests on intact core rock specimens on four different rock types with unconfined compressive strength between 59 and 117 MPa: Arnaia granite, Demati sandstone, Mesaio limestone and Kavala marble. For each rock type, the specimens used for the two types of tests were prepared from the same block. Five or six 8-12 cm long samples from each rock type were subjected to direct shear testing under 6 normal stress levels in the range 0-2 MPa, including one under their self weight which corresponds to a normal stress of approximately 5 kPa. A total of 138 tests were carried out. At least eight cylindrical specimens per rock type, with a diameter of 54cm and a ratio diameter/height of 1:2 were tested in triaxial compression in a standard Hoek triaxial cell, under confining pressures in the range  0 - 70 MPa. The total number of triaxial compression tests was 42, including 4 uniaxial compression tests. The values of the friction angle of the rock wall material (φm) were determined from the measured peak shear strength after elimination of the effect of dilation. The values of the constant mi of  the  Hoek-Brown criterion was determined from the triaxial tests carried out under confining pressures in the range 0?σ3?0.5σci. The experimental results show that the constant mi of  the Hoek & Brown criterion increases logarithmically with decreasing friction angle of the rock wall material (φm), from mi=8.9  for Kavala marble  (φm =39°) to mi=34.0 for  Arnaia granite (φm =35°). The main utility of the method is the indirect determination of the constant mi using a series of direct shear tests on discontinuities from the same rock, especially in the case of weathered  rock, where direct shear on joints can be carried out without any experimental difficulty, whereas the preparation of cylindrical specimens from weathered rock pieces for triaxial testing is quite difficult. More work is needed in order to establish a more accurate expression based on a wider range of rock types.