Investigation of the mechanical properties and classification of weak carbonate fault rocks with application in western Lefkada island, Greece

Abstract

Weak rocks comprise a significant percentage of the earth’s crust and often present poor mechanical properties, such as high deformability and low shear strength. They are frequently encountered in civil engineering projects, but the investigation of their properties is disproportional to the extent of their appearance and the critical issues that they cause. The reason of this lack of investigation is their complex nature, given that they often comprise heterogeneous materials, intensely fractured that are difficult or even impossible (in some cases) to sample, thus disallowing both in-situ and/or laboratory testing. In an attempt to fill this gap, the first goal of this PhD thesis is to quantify the physical properties and the mechanical behavior of a specific type of weak rock using laboratory testing, in-situ investigation and back-analyses of co-seismic landslides that occurred in this material. The second goal of this PhD thesis is to use the foregoing findings for providing an effective classification system for such weak rocks. This is important, because the existing classification systems in rock mechanics have specific limitations and may not always fully apply for estimating the behavior of weaker materials. For the tasks at hand, the focus is put on a weak rock of tectonic origin found in the western slopes of Lefkada island, Greece. In more detail, the studied rocks are carbonate formations that have deteriorated to weak fault breccias, or fractured-disintegrated limestones and dolomites due to the impact of tectonic disturbance. Similar formations are widely found in numerous locations across Greece, but also around the world. The first goal is accomplished with: (a) in-situ investigations to characterize the carbonate formations and assess their textural/structural components performed via expeditions between 2017 and 2021 in Lefkada island, (b) derivation of the in-situ shear strength of limestone fault breccias and highly fractured limestones via a series of back-calculation analyses of UAV-mapped co-seismic landslides that occurred during the Mw 6.5 earthquake that struck Lefkada island in November 2015, (c) execution of laboratory tests. Regarding item (c), it should be underlined here that there are incontrovertible limitations in performing a laboratory investigation on weak carbonate fault rocks using the typical methods suggested by the international standards (e.g., the International Society for Rock Mechanics, ISRM). As such, efficient innovative methods are employed for proper sampling and testing of these materials. Specifically, the laboratory tests are performed for two (2) types of intact parent limestones and five (5) types of fault rocks (two types of limestone fault breccia, one type of tectono-diagenetic dolomite breccia and two types of fractured marly limestone of tectonic origin). The fault rocks were mainly subjected to the Uniaxial Compression Test as their properties have not been studied in the past due to the practical limitations in sampling preparation. The results prove that the mechanical properties of the fault rocks are significantly reduced compared to their intact parent counterparts. In the three (3) brecciated types, the decay in the mechanical properties is related to textural features, i.e., the presence of matrix that bounds the carbonate fragments and the boundaries of reduced strength between the fragments and the matrix. The engineering behavior of the fractured marly limestones is controlled by structural features, i.e., the fracturing degree which allows pre-existing fractures to act as stress concentrators and lead to crack initiation and propagation in the early stages of the Uniaxial Compression Test. The back-analyses of stability of the co-seismic landslides indicate that the in-situ shear strength of limestone fault breccias corresponds to extremely weak rocks (ISRM, 1981) and is about one order of magnitude lower than that derived in the laboratory for the corresponding fault rock type. This is reasonable since the samples retrieved for laboratory testing were of higher quality compared to the material that comprises the failed studied slopes. The poor mechanical properties of the limestone fault breccias found in-situ are also related to the matrix that controls their overall behavior and is weaker than the matrix studied in the laboratory.Regarding the second goal of the thesis, the foregoing findings combined enable the derivation of a universal approach for characterizing and classifying the weak carbonate fault rocks. Specifically, these formations are classified into four (4) major groups: 1. Parent rocks, 2. Welded breccias, 3. Unwelded breccias and 4. Matrix. A distinct methodology to derive the intact rock strength is proposed based on the aforementioned classification. The impact of the fracturing degree is considered by introducing the Fault rocks Strength Reduction Factor (FSRF), which reduces the intact rock strength (UCSi) to the rock mass strength (UCSm). Finally, a new classification system (GSI_FR) and a new disturbance factor D (D_FR) are introduced and the Hoek-Brown failure criterion is modified to account for the behavior of weak carbonate fault rocks.

Οι ασθενείς βραχώδεις σχηματισμοί αποτελούν σημαντικό ποσοστό του γήινου φλοιού και συχνά χαρακτηρίζονται από πτωχές μηχανικές ιδιότητες, όπως υψηλή παραμορφωσιμότητα και χαμηλή διατμητική αντοχή. Παρότι απαντώνται συχνά σε έργα πολιτικού μηχανικού, η διερεύνηση της μηχανικής τους συμπεριφοράς είναι περιορισμένη, κυρίως λόγω της πολύπλοκης και ετερογενούς φύσης τους, του έντονου κατακερματισμού και των δυσκολιών στη δειγματοληψία και στη διεξαγωγή αξιόπιστων επιτόπιων ή εργαστηριακών δοκιμών. Στο πλαίσιο αυτό, ο πρώτος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ποσοτικοποίηση των φυσικών ιδιοτήτων και της μηχανικής συμπεριφοράς ενός συγκεκριμένου τύπου ασθενούς βράχου μέσω συνδυασμού επιτόπιων ερευνών, εργαστηριακών δοκιμών και ανάστροφων αναλύσεων κατολισθήσεων. Ο δεύτερος στόχος είναι η αξιοποίηση των αποτελεσμάτων αυτών για την ανάπτυξη ενός αποτελεσματικού συστήματος χαρακτηρισμού και ταξινόμησης των συγκεκριμένων ασθενών βράχων, δεδομένου ότι τα υφιστάμενα συστήματα βραχομηχανικής παρουσιάζουν περιορισμένη εφαρμοσιμότητα σε υλικά τέτοιας φύσης. Η έρευνα επικεντρώνεται σε ασθενείς ανθρακικούς βράχους τεκτονικής προέλευσης με έμφαση σε αντίστοιχους σχηματισμούς στο νησί της Λευκάδας. Πρόκειται κυρίως για ασβεστολιθικούς και δολομιτικούς σχηματισμούς που, λόγω έντονης τεκτονικής διατάραξης, έχουν μετατραπεί σε ρηξιγενείς λατυποπαγείς σχηματισμούς ή σε έντονα κατακερματισμένους και αποσαθρωμένους ασβεστόλιθους. Παρόμοιοι σχηματισμοί απαντώνται εκτεταμένα τόσο στην Ελλάδα όσο και διεθνώς. Ο πρώτος στόχος επιτυγχάνεται μέσω: (α) επιτόπιων γεωλογικών και γεωτεχνικών ερευνών για τον χαρακτηρισμό των ανθρακικών σχηματισμών και των χαρατηριστικών υφής-δομής, οι οποίες πραγματοποιήθηκαν στη Λευκάδα την περίοδο 2017–2021, (β) εκτίμησης της επιτόπιας διατμητικής αντοχής ρηξιγενών ασβεστολιθικών σχηματισμών μέσω ανάστροφων αναλύσεων κατολισθήσεων που χαρτογραφήθηκαν με UAV και εκδηλώθηκαν κατά τον σεισμό Mw 6.5 της Λευκάδας τον Νοέμβριο του 2015, και (γ) εκτέλεσης εργαστηριακών δοκιμών με χρήση καινοτόμων μεθόδων δειγματοληψίας και δοκιμών, λόγω των περιορισμών των τυπικών διεθνών προτύπων (ISRM). Οι εργαστηριακές δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε δύο τύπους άρρηκτων μητρικών ασβεστολίθων και σε πέντε τύπους ρηξιγενών πετρωμάτων, συμπεριλαμβανομένων ασβεστολιθικών και δολομιτικών λατυποπαγών καθώς και κατακερματισμένων μαργαϊκών ασβεστολίθων. Τα αποτελέσματα δείχνουν σημαντική μείωση των μηχανικών ιδιοτήτων των ρηξιγενών πετρωμάτων σε σχέση με τα μητρικά τους. Οι αναλύσεις ευστάθειας δείχνουν ότι η επί τόπου διατμητική αντοχή των ασβεστολιθικών ρηξιγενών λατυποπαγών αντιστοιχεί σε εξαιρετικά ασθενείς βράχους και είναι κατά περίπου μία τάξη μεγέθους μικρότερη από τις εργαστηριακές τιμές. Συνεπώς προτείνεται μια νέα προσέγγιση ταξινόμησης των ασθενών ανθρακικών ρηξιγενών πετρωμάτων σε τέσσερις κύριες κατηγορίες, εισάγεται ο Συντελεστής Μείωσης Αντοχής Ρηξιγενών Πετρωμάτων (FSRF), καθώς και ένα νέο σύστημα ταξινόμησης (GSI_FR) και ένας νέος συντελεστής διατάραξης (D_FR), ενώ τροποποιείται το κριτήριο αστοχίας Hoek–Brown ώστε να αποδίδει ρεαλιστικότερα τη μηχανική συμπεριφορά των ασθενών ανθρακικών ρηξιγενών βράχων.