Αναλυτικός υπολογισμός αντοχής κερματισμένης βραχομάζας

Abstract

This dissertation is referring to the examination of jointed rock strength. The existing methods for the rock mass strength estimation are presented and the problems that arise up by their application are faced by a rational approach. The first chapter is the introduction, where all the relevant terms are defined and the necessity for the appropriate rock mass strength estimation is analyzed. The various structures of rock mass are presented, followed by a brief preview of the methods for the estimation of jointed rock strength, which are classified into analytical, empirical and numerical. In the second chapter, a large amount of experimental study on physical models and large scale rock specimens made by various researchers is presented. The purpose of these experiments was to define the parameters that affect the jointed rock strength and to observe the failure mechanisms. At the end of the chapter, an attempt to combine the above observations is made. In the third chapter, the anisotropic rock strength is estimated using the theory of weakness plane. This theory is presented and is then applied for the estimation of the anisotropic strength of a rock containing one or more joint sets, with one or more parallel persistent or not, discontinuities in each set. The analytical strength is then compared to that provided by numerical simulations by a discrete element code. This theory is extended, using a non linear failure criterion for the joints. This extended theory of weakness plane is then applied for the estimation of the anisotropic strength of a rock containing one or more joint sets, with one or more parallel persistent or not, discontinuities in each set. The analytical strength is again compared to that provided by numerical simulations by a discrete element code. Finally, both original and extended theories are applied to experiments and the analytically evaluated strength is compared to the experimental. The extended theory of weakness plane can be used for an analytical investigation of the Hoek - Brown failure criterion, which is the most widely accepted method for the estimation of isotropic jointed rock strength. Thus, in the fourth chapter, the analytically evaluated strength provided by the extended theory of weakness plane is compared to that provided by the Hoek - Brown failure criterion, for blocky and very blocky rock mass. The fifth chapter contains the conclusions of the dissertation. Also, a number of subjects that need further research are pointed out. The chapter is followed by the references and appendices, for the better review of some subjects which are presented in the preceding chapters.

Η διατριβή αυτή αναφέρεται στον αναλυτικό υπολογισμό της αντοχής κερματισμένης βραχομάζας. Στο πρώτο κεφάλαιο δίνονται οι ορισμοί των εννοιών που χρησιμοποιούνται στην διατριβή και αναλύεται η αναγκαιότητα εκτίμησης της μηχανικής συμπεριφοράς της μάζας του πετρώματος. Παρουσιάζονται οι δομές με τις οποίες εμφανίζεται η βραχομάζα στη φύση και στη συνέχεια ακολουθεί μια σύντομη επισκόπηση των μεθόδων που έχουν αναπτυχθεί για τον υπολογισμό της αντοχής της. Οι μέθοδοι αυτές ταξινομούνται σε αναλυτικές, εμπειρικές και αριθμητικές. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση της πειραματικής έρευνας που έχει διεξαχθεί έως σήμερα για την κατανόηση των παραγόντων που επιδρούν στην αντοχή της βραχομάζας. Τα πειράματα διακρίνονται σε αυτά που πραγματοποιούνται σε φυσικά ομοιώματα ρωγματωμένου υλικού μικρών διαστάσεων και σε δοκιμές που πραγματοποιούνται επί τόπου ή σε δοκίμια πετρώματος διαστάσεων τέτοιων έτσι ώστε να περιλαμβάνεται αντιπροσωπευτικός αριθμός επιπέδων αδυναμίας. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται μια προσπάθεια σύνθεσης των αποτελεσμάτων των πειραμάτων αυτών. Στο τρίτο κεφάλαιο εκτιμάται η ανισότροπη αντοχή του πετρώματος με θεώρηση επιπέδων αδυναμίας. Παρουσιάζεται η θεωρία του επιπέδου αδυναμίας και στη συνέχεια εφαρμόζεται για τον υπολογισμό της ανισότροπης αντοχής πετρώματος με ένα ή περισσότερα συστήματα ασυνεχειών, με μια ή περισσότερες παράλληλες, εμμένουσες και μή ασυνέχειες σε κάθε σύστημα. Παράλληλα, σε κάθε περίπτωση πραγματοποιούνται αριθμητικές επιλύσεις με κώδικα διακριτών στοιχείων σε αντίστοιχα δοκίμια. Στη συνέχεια η θεωρία αυτή τροποποιείται έτσι ώστε η μηχανική συμπεριφορά των ασυνεχειών να ακολουθεί μή γραμμική συμπεριφορά κατά τη διάτμηση. Με την τροποποιημένη αυτή θεωρία υπολογίζεται εκ νέου η ανισότροπη αντοχή πετρώματος με ένα ή περισσότερα συστήματα ασυνεχειών, με μια ή περισσότερες παράλληλες, εμμένουσες και μή ασυνέχειες σε κάθε σύστημα. Σε κάθε περίπτωση πραγματοποιούνται αριθμητικές επιλύσεις με κώδικα διακριτών στοιχείων σε αντίστοιχα δοκίμια. Τέλος, η αρχική και η τροποποιημένη θεωρία εφαρμόζονται σε επιλεγμένα πειράματα και η αντοχή που προκύπτει συγκρίνεται με την αντίστοιχη πειραματική. Ο αναλυτικός υπολογισμός της αντοχής της βραχομάζας σύμφωνα με την τροποποιημένη θεωρία του ενός επιπέδου αδυναμίας, δίνει την δυνατότητα σύγκρισης με εμπειρικά κριτήρια αστοχίας που αποτελούν την συνήθη πρακτική για την εκτίμηση της ισότροπης αντοχής της μάζας του πετρώματος. Έτσι, στο τέταρτο κεφάλαιο, πραγματοποιείται σύγκριση της τροποποιημένης θεωρίας με το γενικευμένο κριτήριο αστοχίας Hoek - Brown, για τεμαχώδη και πολύ τεμαχώδη δομή βραχομάζας. Τέλος, τα συμπεράσματα της διατριβής παρουσιάζονται στο πέμπτο κεφάλαιο και ακολουθούν οι βιβλιογραφικές αναφορές και παραρτήματα για την αναλυτικότερη επισκόπηση ορισμένων θεμάτων που παρουσιάζονται στην διατριβή.