Αριθμητική Ανάλυση Απόκρισης Επιχώματος Οδοποιίας Από Διάρρηξη Υποκείμενου Ενεργού Ρήγματος

Abstract

Ο αντισεισμικός σχεδιασμός ενός επιχώματος οδοποιίας αποτελεί ένα κρίσιμο ζήτημα το οποίο καλείται να αντιμετωπίσει η Γεωτεχνική Σεισμική Μηχανική, καθώς μια πιθανή αστοχία του μπορεί να επιφέρει σοβαρές οικονομικές αλλά και κοινωνικές συνέπειες ή ακόμα και να απειλήσει την ανθρώπινη ζωή. Η διάρρηξη ενός σεισμικού ρήγματος προκαλεί δύο μηχανισμούς φόρτισης στις υπερκείμενες κατασκευές. Ο πρώτος είναι η παροδική δυναμική ταλάντωση που οφείλεται στη διάδοση των σεισμικών κυμάτων μακριά από τη σεισμική πηγή, ενώ, ο δεύτερος είναι οι μόνιμες οιονεί στατικές παραμορφώσεις που προκαλεί στο έδαφος η διάδοση της διάρρηξης του ρήγματος. Κατά το παρελθόν, η εκδήλωση μεγάλων σεισμών έχει αναδείξει τη μεγάλη επιρροή της διάδοσης της διάρρηξης στην ακεραιότητα των κατασκευών και των τεχνικών έργων. Δεν είναι λίγες οι περιπτώσεις κατά τις οποίες η διάδοση της διάρρηξης έχει οδηγήσει σε σημαντικές αστοχίες ή ακόμα και στην κατάρρευση τους.Έχοντας υπόψιν τα παραπάνω, αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η διερεύνηση της απόκρισης ενός τυπικού επιχώματος οδοποιίας το οποίο θεμελιώνεται πάνω σε μια εδαφική στρώση λόγω διάδοσης της διάρρηξης σεισμικών ρηγμάτων. Βασικό μέλημα της παρούσας έρευνας υπήρξε η εκτίμηση και η αξιολόγηση των δυσμενών επιπτώσεων που προκαλεί η διάρρηξη στη λειτουργικότητα και στην ασφάλεια του επιχώματος. Η μελέτη της επίδρασης της διάρρηξης στο επίχωμα πραγματοποιήθηκε μέσω της διεξαγωγής οιονεί στατικών αριθμητικών αναλύσεων και της χρήσης της μεθόδου των πεπερασμένων διαφορών. Για να επιτευχθεί αυτό, επιλέχθηκε η χρήση του δι-διάστατου λογισμικού FLAC. Αφού πραγματοποιήθηκε ο έλεγχος αξιοπιστίας του επιλεγόμενου καταστατικού προσομοιώματος μέσω των συγκρίσεων των αριθμητικών αποτελεσμάτων με δημοσιευμένα πειραματικά και αριθμητικά δεδομένα, με σκοπό τη διερεύνηση της επιρροής των χαρακτηριστικών τόσο της στρώσης θεμελίωσης όσο και του ρήγματος, έλαβε χώρα μια εκτεταμένη παραμετρική διερεύνηση.Το ερευνητικό αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής κινήθηκε γύρω από δύο άξονες. Ο πρώτος αναφερόταν στη μελέτη της επίδρασης της παρουσίας του επιχώματος στη διαδρομή διάρρηξης, αλλά και στην προκαλούμενη παραμόρφωση της επιφάνειας του εδάφους. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτό, διεξήχθησαν παραμετρικές αναλύσεις τόσο για την περίπτωση ενός μονοστρωματικού εδάφους, όσο και για την περίπτωση που ένα επίχωμα οδοποιίας θεμελιώνεται πάνω στην επιφάνεια του. Τα εξαγόμενα αποτελέσματα συγκρίθηκαν βάσει της μορφής των αναπτυσσόμενων ζωνών διάτμησης μέσα στο μονοστρωματικό έδαφος και βάσει του σημείου ανάδυσης της διάρρηξης στο ελεύθερο πεδίο. Επίσης, όσον αφορά στην παραμόρφωση της εδαφικής επιφάνειας, μελετήθηκαν οι κατακόρυφες μετατοπίσεις που αναπτύχθηκαν κάτω από τη βάση του επιχώματος.Ο δεύτερος άξονας της διερεύνησης, στον οποίο αντιστοιχεί το κυριότερο τμήμα της έρευνας, επικεντρώθηκε στη μελέτη των επιπτώσεων της διάδοσης της διάρρηξης στο επίχωμα. Αρχικά, μελετήθηκαν: η διαδρομή διάδοσης της διάρρηξης μέσα στο σώμα του επιχώματος, η μεταβολή της γεωμετρίας του επιχώματος όπως επίσης και οι κατακόρυφες μετατοπίσεις που αναπτύσσονται στην εξωτερική του επιφάνεια. Η αξιολόγηση των παραπάνω αποτελεσμάτων παρείχε μια πρώτη εκτίμηση της επίδρασης της διάδοσης της διάρρηξης στην ακεραιότητα του επιχώματος. Ωστόσο, όλα τα παραπάνω δεν ήταν ικανά να προσδιορίσουν ποσοτικά τον βαθμό και την έκταση της βλάβης που προκαλούνταν στο επίχωμα λόγω της διάρρηξης. Κρίθηκε, λοιπόν, αναγκαία η εύρεση ενός εργαλείου που θα επέτρεπε τον προσδιορισμό του μεγέθους και της έντασης της προκαλούμενης βλάβης. Για τον σκοπό αυτό, προτάθηκαν δύο κριτήρια η χρήση των οποίων επέτρεψε τόσο τη χωροθέτηση της βλάβης μέσα στο σώμα του επιχώματος όσο και την ποσοτικοποίησή της. Το πρώτο κριτήριο βασίστηκε στη μεταβολή της σχετικής συμπύκνωσης (RC) του επιχώματος το οποίο αποτελεί ένα σαφές κριτήριο της λειτουργικότητάς του. Μέσω αυτού, υπολογίστηκε η τιμή της σχετικής συμπύκνωσης του επιχώματος μετά την ολοκλήρωση της διάρρηξης. Αυτό έδωσε τη δυνατότητα να παραχθούν διαγράμματα κατανομής της σχετικής συμπύκνωσης στο σώμα του επιχώματος μέσω των οποίων επιτεύχθηκε η χαρτογράφηση της βλάβης. Στο σημείο αυτό διαπιστώθηκε πως στις περιοχές του επιχώματος όπου αναπτυσσόταν οι ζώνες διάτμησης, δηλαδή στις περιοχές όπου εντοπιζόταν η βλάβη του επιχώματος, η RC λάμβανε τιμές μικρότερες του 94%. Με βάση αυτό θεωρήθηκε πως το ποσοστό της συνολικής επιφάνειας του επιχώματος που παρουσίαζε τιμές RC<94% (RC94) θα μπορούσε να αποτελέσει έναν δείκτη ποσοτικού προσδιορισμού της βλάβης. Το δεύτερο κριτήριο βασίστηκε στην εκτίμηση της ποσοστιαίας μεταβολής του αρχικού όγκου του επιχώματος (ΔV/V0). Ο προσδιορισμός της μεταβολής του όγκου του επιχώματος συνέβαλε στην ποσοτικοποίηση της βλάβης. Ο συνδυασμός των διαγραμμάτων κατανομής της σχετικής συμπύκνωσης του επιχώματος και των ποσοστών ΔV/V0 και RC94 αποτέλεσαν ένα αξιόπιστο εργαλείο το οποίο παρείχε τη δυνατότητα χαρτογράφησης και ποσοστικοποίησης της βλάβης που προκαλεί η διάρρηξη υποκείμενων ρηγμάτων σε ένα επίχωμα οδοποιίας. Από την αξιολόγηση των εξαγομένων συμπερασμάτων διαπιστώνεται πως η θεμελίωση του επιχώματος στην επιφάνεια ενός μονοστρωματικού εδάφους επηρεάζει τόσο τη διαδρομή διάδοσης της διάρρηξης, όσο και τις αναπτυσσόμενες παραμορφώσεις της ελεύθερης επιφάνειας του εδάφους. Επιπλέον, ανεξάρτητα από το είδος της διάρρηξης, η διάδοση της διάρρηξης μέσα στο επίχωμα προκαλεί σημαντική παραμόρφωση στην εξωτερική επιφάνεια του επιχώματος και αξιοσημείωτη μείωση της σχετικής συμπύκνωσής του. Τέλος, διαπιστώθηκε πως για το μεγαλύτερο μέρος των αναλύσεων, η διάρρηξη κανονικού ρήγματος τείνει να προκαλέσει μεγαλύτερη απομείωση της σχετικής συμπύκνωσης του επιχώματος και εντονότερη μεταβολή του αρχικού του όγκου. Τα παραπάνω αποτελέσματα υποδεικνύουν τη σημαντική συμβολή της παρούσας διατριβής στην εκτίμηση και στην αξιολόγηση των επιπτώσεων της διάδοσης της διάρρηξης σεισμικών ρηγμάτων σε υπερκείμενο επίχωμα οδοποιίας. Μέσω της χρήσης των προτεινόμενων κριτηρίων επιτυγχάνεται ο προσδιορισμός του αντίκτυπου της διάρρηξης στην ακεραιότητα και στη λειτουργικότητα των επιχωμάτων οδοποιίας. Τέλος, ο συνδυασμός αυτών των απλών κριτηρίων αποτελεί ένα εύχρηστο και αξιόπιστο εργαλείο χαρτογράφησης και ποσοτικοποίησης της βλάβης του επιχώματος εύκολα αντιληπτό και από τους Μηχανικούς της πράξης.