Engineering geological factors affecting the geotechnical parameters of intact rock - the influence of anisotropy

The current research deals with the pronounced effect of the fabric of anisotropic rocks on the strength and deformation characteristics of intact rocks. The factors that influence the strength and deformation of the intact rock are the mineral composition, the fabric (anisotropy) and the degree of weathering. Anisotropy is a characteristic of intact foliated metamorphic rocks (slates, gneisses, phyllites, schists). Rock Mechanics laboratory testing was used to establish the anisotropic behaviour of selected metamorphic rocks. The effect of anisotropy on various mechanical properties (strength, deformation) and dynamic properties (wave velocity) was examined. The effect of anisotropy on various mechanical properties (strength, deformation) and dynamic properties (wave velocity) was examined. The rock samples were also tested at successively higher confining pressures in order to evaluate the effect of anisotropic behaviour at high overburden pressures. The rocks tested incorporated Athens schist, gneiss and marble possessing different degrees of strength anisotropy. The schist tested is characterised by two types: a) quartzitic, chloritic, micaceous schist and b) chloritic, micaceous schist, possessing a well developed anisotropy due to the presence of foliation planes. Gneiss is also characterised by two types: a) a coarse grained micaceous gneiss with well developed banding and b) a medium grained micaceous gneiss with very well developed banding. The marble belongs to the Penteli series (well known for its use in the antiquity for building monuments, e.g. Akropolis) and is characterised by slightly developed anisotropy due to discontinuous layering of dolomite minerals. The degree of strength anisotropy of the tested rocks was indirectly estimated, by wave propagation through the rock, and thus was classified by means of geological and geotechnical indexes. The research developed characterization method of the inherent anisotropy of metamorphic rocks, based on the most widely used laboratory tests for rocks. The proposed classification system was based on data from literature and the results from tests carried out. It took into account the degree of anisotropy as it was determined from: a) the uniaxial compressive strength, σci, b) the point load strength, Is₅₀ and c) the longitudinal wave velocity, Vp. d) qualitative and quantitative petrographic indexes. A new anisotropy index for point load strength, determined from diametral tests on oriented core specimens, was also presented. The indices that have been used for the characterization of anisotropy, possess a different classification scale, as they refer to different mechanical properties of intact rock. These properties are influenced to a varying extend by the anisotropic texture of intact rock. The classification scheme of anisotropic rocks that was proposed, takes into account apart from the fundamental anisotropy indices of mechanical properties, the uniaxial compressive strength, σci, perpendicular to the planes of anisotropy. Thus, the strength and velocity anisotropy indices are correlated to the uniaxial compressive strength. The influence of the strength anisotropy of intact rock on the Hoek and Brown criterion parameters (σci, mi and s) was investigated thoroughly for the rocks examined, and was found to be significant. The research resulted in a modification of the criterion by incorporating a new parameter (k), to account for the effect of strength anisotropy, thus being able to determine the strength of intact anisotropic rock under loading in different orientations of the plane of anisotropy. The range of the parameter (k) for the rocks tested has been analytically investigated from triaxial tests, carried out in different orientations of the foliation plane, and suggestions for its determination are made. The proposed modification was studied for metamorphic rocks (gneiss, schist, marble), but could also be applied to other rock types exhibiting “inherent” anisotropy, e.g. sedimentary as well as igneous rocks.Στην παρούσα Διατριβή διερευνάται εκτενώς η συμπεριφορά του άρρηκτου πετρώματος που χαρακτηρίζεται από εγγενή ανισοτροπία δομής. Αυτή οφείλεται στη διάταξη των ορυκτών σε επίπεδα και συναντάται κυρίως στα μεταμορφωμένα (λόγω της φολίδωσης τους) και λιγότερο στα ιζηματογενή και στα πυριγενή πετρώματα. Εξετάστηκε η συμπεριφορά των μεταμορφωμένων πετρωμάτων από τον Ελλαδικό χώρο, και συγκεκριμένα του Αθηναϊκού σχιστόλιθου, του γνευσίου από την περιοχή της Βέροιας και του μαρμάρου της Πεντέλης. Τα πετρώματα που επελέγησαν χαρακτηρίζονται από διαφορετικό βαθμό ανισοτροπίας. Ο σχιστόλιθος που εξετάστηκε διακρίνεται σε δύο τύπους: α) σε χλωριτικό-μοσχοβιτικό-σχιστόλιθο και β) σε χαλαζιακό-χλωριτικό-μοσχοβιτικό σχιστόλιθο, χαρακτηρίζεται δε από μέτρια και χαμηλή ανισοτροπία αντοχής αντίστοιχα. Ο γνεύσιος διακρίνεται σε α) μοσχοβιτικό και β) σε δι-μαρμαρυγιακό γνεύσιο και χαρακτηρίζεται από μέτρια και μέτρια-υψηλή ανισοτροπία αντοχής αντίστοιχα. Το μάρμαρο Πεντέλης παρουσιάζει μια ατελή ανάπτυξη ανισοτροπίας δομής και χαρακτηρίζεται ισότροπο έως χαμηλού βαθμού ανισοτροπίας αντοχής. Η επίδραση της ανισοτροπίας στις γεωτεχνικές ιδιότητες του άρρηκτου πετρώματος προσδιορίστηκε με την εκτέλεση μεγάλου αριθμού δοκιμών Βραχομηχανικής στα παραπάνω πετρώματα. Συγκεκριμένα εκτελέστηκαν δοκιμές μονοαξονικής και τριαξονικής θλίψης, δοκιμές διάδοσης υπερήχων, δοκιμές έμμεσου εφελκυσμού και σημειακής φόρτισης. Ακόμα, για την διερεύνηση του πλαισίου της συμπεριφοράς του ανισότροπου άρρηκτου πετρώματος συλλέχθηκε μεγάλος αριθμός δεδομένων από την διεθνή βιβλιογραφία. Αναζητήθηκε όλη η σχετική βιβλιογραφία που αφορά τον προσδιορισμό των γεωτεχνικών ιδιοτήτων στο ανισότροπο άρρηκτο πέτρωμα, τη συμπεριφορά που συναντάται σε αυτά με βάση προηγούμενες έρευνες, την μέτρηση της ανισοτροπίας της μικρο-δομής των μεταμορφωμένων πετρωμάτων με ποσοτικούς και ποιοτικούς δείκτες. Ακόμα τις συσχετίσεις των γεωτεχνικών ιδιοτήτων του άρρηκτου πετρώματος σε σχέση και με τον προσανατολισμό του επιπέδου ανισοτροπίας και τέλος την πρόβλεψη της αντοχής με τη βοήθεια κριτηρίων που λαμβάνουν υπόψη την επίδραση της ανισοτροπίας. Στη βιβλιογραφία παρατηρείται μεγάλος αριθμός ερευνών που αφορούν την περιγραφή της ανισότροπης συμπεριφοράς του άρρηκτου πετρώματος και της βραχόμαζας, ενώ υπάρχει έλλειψη συνδυαστικών ερευνών που να συνθέτουν την επίδραση της ανισοτροπίας σε μια ομάδα πετρωμάτων με παρόμοια ορυκτολογική σύσταση, όπως π.χ. των μεταμορφωμένων πετρωμάτων. Ακόμα, υπάρχει έλλειψη στη συγκριτική χρήση διαφόρων δεικτών για την μέτρηση του βαθμού και την περιγραφή της ανισοτροπίας του άρρηκτου πετρώματος. Τέλος, ενώ έχουν διατυπωθεί πληθώρα συσχετίσεων μεταξύ των βασικών φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων του άρρηκτου πετρώματος από πολλούς ερευνητές, ελάχιστες είναι εκείνες οι συσχετίσεις γεωτεχνικών ιδιοτήτων που λαμβάνουν υπόψη και τον προσανατολισμό του επιπέδου ανισοτροπίας. Με βάση όλα τα παραπάνω, η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολήθηκε με τη: α) συνδυαστική και συγκριτική αξιολόγηση των γεωτεχνικών ιδιοτήτων του ανισότροπου άρρηκτου πετρώματος των δεδομένων της βιβλιογραφίας και των δεδομένων της εργαστηριακής έρευνας που έγινε στα πλαίσια της διατριβής, δίνοντας την απαιτούμενη σημασία στην επίδραση της ορυκτολογίας και την περιγραφή αυτής, β) διατύπωση του τρόπου ταξινόμησης του ανισότροπου άρρηκτου πετρώματος με βάση την αντοχή σε μονοαξονική θλίψη, σci, την ταχύτητα διάδοσης των επί μηκών κυμάτων, Vp, την αντοχή σε σημειακή φόρτιση, Is₅₀, τη χρήση πετρογραφικών δεικτών, γ) τη διατύπωση συσχετίσεων των γεωτεχνικών ιδιοτήτων που να λαμβάνουν υπόψη και τον προσανατολισμό του επιπέδου ανισοτροπίας. Δεδομένου ότι το κριτήριο Hoek - Brown χρησιμοποιείται ευρέως σε ανισότροπα πετρώματα, έγινε καταχρηστικά εφαρμογή αυτού σε διάφορους προσανατολισμούς του επιπέδου ανισοτροπίας και προσδιορίστηκε η μεταβολή των παραμέτρων του (σci, mi και s). Η ενσωμάτωση της ανισοτροπίας στο κριτήριο Hoek - Brown έγινε με την τροποποίηση του για την πρόβλεψη της ανισοτροπίας της αντοχής. Η τροποποίηση αυτή βασίστηκε στην εισαγωγή μιας νέας παραμέτρου στο κριτήριο Hoek - Brown, k, η οποία προσομοιάζει την επίδραση της ανισοτροπίας στην αντοχή. Το εύρος της παραμέτρου αυτής προσδιορίστηκε με βέλτιστη προσαρμογή στα δεδομένα των τριαξονικών δοκιμών που εκτελέστηκαν σε γνεύσιο, σχιστόλιθο και μάρμαρο. Διαπιστώθηκε ότι το εύρος της παραμέτρου, k, σχετίζεται άμεσα με το βαθμό ανισοτροπίας της αντοχής του άρρηκτου πετρώματος, όπως προσδιορίστηκε σε συνθήκες μονοαξονικής και τριαξονικής θλίψης