Συμβολή στη διερεύνηση των μηχανισμών αστοχίας υπολειμματικών εδαφών = Contribution to the investigation of failure mechanism of residual soils

Περίληψη

Τα υπολειμματικά εδάφη δημιουργούνται από την επί τόπου αποσάθρωση των πετρωμάτων και αποτελούν μία μεγάλη κατηγορία εδαφών των οποίων η μηχανική συμπεριφορά διαφέρει της συμπεριφοράς των ιζηματογενών εδαφών. Οι κλιματολογικές, οι τοπογραφικές και οι γεωλογικές συνθήκες μιας περιοχής είναι οι παράγοντες που καθορίζουν τις διαδικασίες αποσάθρωσης και  τα προϊόντα της, τα οποία εξαρτώνται από την ορυκτολογική σύσταση και τη δομή του μητρικού πετρώματος. Είναι σημαντικό ότι οι θεωρίες που διέπουν τη μηχανική συμπεριφορά των εδαφών αναπτύχθηκαν βασισμένες στη συμπεριφορά των ιζηματογενών εδαφών και για το λόγο αυτό η εφαρμογή τους στα υπολειμματικά εδάφη οδηγεί σε μη ρεαλιστικές προσεγγίσεις και σε εσφαλμένες εκτιμήσεις.
Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής διερευνούνται, αξιολογούνται και τελικώς ερμηνεύονται, με την εισαγωγή ενός μοντέλου ανάλυσης ευστάθειας, οι μηχανισμοί αστοχίας που παρατηρήθηκαν σε μια σειρά ανοικτών ορυγμάτων σε υπολειμματικά εδάφη γνευσιακής προέλευσης στην περιοχή της Ασπροβάλτας. Η υπολειμματική δομή του μητρικού πετρώματος, η ορυκτολογική σύσταση των υπολειμματικών εδαφών και οι μεταβολές του βαθμού κορεσμού αποτελούν τους τρεις κύριους παράγοντες με βάση τους οποίους ερμηνεύονται τα αποτελέσματα μιας πλήρους εργαστηριακής έρευνας για τον προσδιορισμό της μηχανικής συμπεριφοράς των εξεταζόμενων γεωυλικών.
Στη συνέχεια της εργασίας προτείνεται η εφαρμογή ενός μοντέλου ανάλυσης ευστάθειας πρανών, το οποίο λαμβάνει υπόψη το γεωλογικό μοντέλο αποσάθρωσης, τα μηχανικά χαρακτηριστικά των υπολειμματικών εδαφών όπως προσδιορίστηκαν εργαστηριακά και τη συμπεριφορά τους σε ακόρεστες συνθήκες. Η εφαρμογή του προτεινόμενου μοντέλου περιγράφει ικανοποιητικά το ιστορικό και τη μορφή των αστοχιών των ορυγμάτων της περιοχής έρευνας, συμβάλλοντας στην αντιμετώπιση του δύσκολου προβλήματος της επιλογής των παραμέτρων αντοχής για το σχεδιασμό τεχνικών έργων σε υπολειμματικά εδάφη.

Residual soils are formed from the in situ weathering of rocks, they constitute a big class of soils and their mechanical behavior differs significantly from that of sedimentary soils. The factors that determine the weathering processes are the climatic, the morphological and the geological conditions and their products depend on the structural and mineralogical features of the parent rock. It is important to mention that the theoretical framework on which the research of the mechanical behavior of soils has evolved is based on the behavior of sedimentary soils, and for that reason the application of standard practices in soil mechanics on residual soils may lead to nonrealistic approaches and false estimations.  
This thesis investigates, evaluates and finally interprets the failure mechanisms in a series of cut slopes that took place in residual soils of gneisseous origin, by introducing a methodology of slope stability analysis for these soils. A full scale laboratory testing program is implemented for the assessment of the mechanical behavior of the considered soils and the results are interpreted on the basis of the three distinct characteristics of residual soils, the inherited structure of the parent rock, the mineralogical composition and the changes in the degree of saturation.
Based on the in situ and laboratory investigation, the application of a slope stability analysis model is proposed, which takes into account the weathering profile and the different types of soils present, as well as the mechanical parameters of them for both saturated and unsaturated conditions, derived from the laboratory investigation. The application of the proposed model simulates accurately the cases and the types of failures of the cut slopes that were investigated, contributing to the difficult task of choosing design strength parameters for construction projects in residual soils.