Μικρομηχανική συμπεριφορά του πετρώματος γύρω από ανοίγματα

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή διερευνάται εργαστηριακά και αριθμητικά η μικρορωγμάτωση και η θραύση του πετρώματος γύρω από ανοίγματα που βρίσκονται σε θλιπτικό εντατικό πεδίο. Μελετώνται στο εργαστήριο φυσικά μοντέλα υπογείων ανοιγμάτων σε πετρώματα υπό συνθήκες θλίψης, με αξιοποίηση μεθόδων όπως η ακουστική εκπομπή (acoustic emission, AE) του πετρώματος και η συσχέτιση ψηφιακών εικόνων (digital image correlation, DIC). Απώτερος στόχος είναι η μεταφορά της αποκτηθείσας γνώσης στην κλίμακα του πεδίου, αποσκοπώντας στον ασφαλέστερο σχεδιασμό και κατασκευή βαθιών σηράγγων και μεταλλείων, υπογείων εκσκαφών, βαθιών γεωτρήσεων κ.λπ. Μέσο για την εν λόγω μεταφορά αποτελούν οι αριθμητικές προσομοιώσεις. Τα έξι (6) ασβεστιτικά και δολομιτικά υλικά που εξετάζονται παρουσιάζουν δύο (2) διαφορετικές συμπεριφορές και τύπους ρωγμάτωσης, όπου στη μια περίπτωση διαφέρουν αισθητά από τις σχετικές παρατηρήσεις της διεθνούς βιβλιογραφίας. Τόσο στα φυσικά μοντέλα των δολομιτικών πετρωμάτων όσο και στη βιβλιογραφία, σε συνθήκες μονοαξονικής θλίψης ή χαμηλού πλευρικού περιορισμού, αρχικά αναμένεται η εμφάνιση εφελκυστικών πρωτογενών ρωγμών, που ξεκινούν από τη στέψη και το δάπεδο της οπής λόγω της υψηλής συγκέντρωσης εφελκυστικών τάσεων στις εν λόγω περιοχές, και αναπτύσσονται παράλληλα προς τη διεύθυνση της μέγιστης κύριας τάσης. Στη συνέχεια, παρατηρείται ο σχηματισμός δευτερογενών ρωγμών στις εγγύς περιοχές δεξιά και αριστερά των οπών, οι οποίες επεκτείνονται παρακατακόρυφα προς τις βάσεις των πρισμάτων, και αλληλοεπιδρούν μαζί τους, καθώς και με τις περιοχές υψηλής συγκέντρωσης θλιπτικών τάσεων στις παρειές του ανοίγματος. Στις εν λόγω περιοχές απαντάται το τρίτο φαινόμενο, γνωστό στη διεθνή βιβλιογραφία ως «πλευρικές αποφλοιώσεις». Αντιθέτως, δε σχηματίζονται πάντα δευτερογενείς ρωγμές στα ασβεστιτικά μάρμαρα. Στη θέση τους παρουσιάζονται συζυγείς διαγωνίως αναπτυσσόμενες ζώνες διάτμησης, οι οποίες εκτείνονται από τις παρειές των οπών ως τις γωνίες των πρισμάτων. Στη συνέχεια εξετάζονται υπό συνθήκες μονοαξονικής θλίψης, τα φαινόμενα της ρωγμάτωσης σε φυσικά μοντέλα δύο διαφορετικών ποικιλιών δολομιτικού μαρμάρου με δύο οριζόντιες παράλληλες προϋπάρχουσες κυλινδρικές οπές διαφόρων διαμέτρων και σχετικής απόστασης, με τους άξονες των κέντρων τους ευθυγραμμισμένους με τις βάσεις του δοκιμίου. Παρουσιάζεται το μοτίβο ρωγμάτωσης κάθε υλικού, καθώς και οι αντίστοιχες διαφορές.Οι εφαρμοζόμενες τεχνικές που παρουσιάζονται στην παρούσα διατριβή για τον προσδιορισμό της έναρξης της ρωγμάτωσης μέσω της μεθόδου DIC, δύνανται να αξιοποιηθούν και για τον προσδιορισμό της έναρξης της ρωγμάτωσης και σε άλλες εφαρμογές για την παρακολούθηση πειραματικών μελετών όπου λαμβάνουν χώρα φαινόμενα εξαρτώμενα από το εντατικό πεδίο και από την επίδραση της κλίμακας. Η συνδυασμένη εφαρμογή της μεθόδου DIC και της ανάλυσης της ΑΕ επιτρέπει την αξιόπιστη ποσοτικοποίηση των φαινομένων της ρωγμάτωσης στα εξεταζόμενα λεπτόκοκκα, κρυσταλλικά ή μη, ασβεστιτικά και δολομιτικά υλικά, με παρουσία ταινιώσεων ή χωρίς, που σε διαφορετική περίπτωση η παρατήρησή τους μπορεί να είναι αβέβαιη και ο προσδιορισμός τους αμφισβητήσιμος. Επιπλέον, η κατάλληλη παραμετροποίηση της πειραματικής διαδικασίας και η εξειδικευμένη επεξεργασία των σημάτων ΑΕ μετά την καταγραφή τους, επέτρεψε τον χωρικό προσδιορισμό των πηγών των σημάτων ΑΕ στις ασβεστιτικές ποικιλίες μαρμάρου. Επίσης, όπου είναι απαραίτητο, χρησιμοποιείται στερεοσκοπικό μικροσκόπιο προκειμένου να αποσαφηνιστεί η κατάσταση της ρωγμάτωσης των φυσικών μοντέλων. Τα παρουσιαζόμενα φυσικά μοντέλα μπορούν να φανούν χρήσιμα ως σημείο αναφοράς για υλικά με παρόμοιους τύπους συμπεριφοράς. Επιπλέον, παρέχουν μια εικόνα για τη διαδικασία της θραύσης του μαρμάρου γύρω από ανοίγματα, χρήσιμη για την κατανόηση των μηχανισμών που συνδέονται με την υπόγεια εκμετάλλευση μαρμάρου, διευκολύνοντας τη μεταφορά της εργαστηριακής γνώσης στο πεδίο. Στο δεύτερο στάδιο της διατριβής, οι εργαστηριακές δοκιμές στα παραπάνω φυσικά μοντέλα καθώς και επιπλέον αντίστοιχες δοκιμές δημοσιευμένες στη βιβλιογραφία, προσομοιώνονται αριθμητικά με το μοντέλο συνδεδεμένων σωματιδίων (bonded particle model, BPM) αξιοποιώντας τη διδιάστατη και τριδιάσταση έκδοση του λογισμικού Particle Flow Code (PFC) της Itasca. Αρχικά βαθμονομούνται τα υλικά στον κώδικα και έπειτα προσομοιώνονται οι δοκιμές των φυσικών μοντέλων. Ο γύψος προσομοιώνεται με το 3D BPM εφαρμόζοντας το γραμμικό μοντέλο παράλληλων δεσμών, ενώ τα κρυσταλλικά πετρώματα με το 2D BPM εφαρμόζοντας το μοντέλο επίπεδων δεσμών. Η μικρορωγμάτωση, η διαδικασία της θραύσης και η αλληλουχία της εμφάνισης των φαινομένων κατά τη διάρκεια των αριθμητικών δοκιμών βρίσκονται σε καλή συμφωνία με τις εργαστηριακές παρατηρήσεις. Επιπλέον, το μοτίβο της ρωγμάτωσης των αριθμητικών δοκιμίων ομοιάζει με εκείνο των φυσικών μοντέλων, ενώ οι θέσεις των περιοχών νεφώδους μικρορωγμάτωσης στα αριθμητικά μοντέλα συμπίπτουν με εκείνες των περιοχών έντονης παραμόρφωσης που παρατηρούνται κατά την ανάλυση DIC στα αντίστοιχα φυσικά μοντέλα. Επιπροσθέτως, πραγματοποιείται αριθμητική διερεύνηση και ποσοτικοποίηση των τάσεων και της κατανομής τους σε περιοχές ενδιαφέροντος κοντά στην οπή. Τα εν λόγω βαθμονομημένα αριθμητικά υλικά συμπεριφέρονται για όλες τις προσομοιούμενες δοκιμές παρόμοια με τις εργαστηριακές μίκρο- και μακροσκοπικά, ανεξάρτητα από την πολυπλοκότητα της γεωμετρίας των δοκιμίων, και δύνανται επιπλέον να αξιοποιηθούν για προσομοιώσεις μεγαλύτερης κλίμακας, τόσο στο εργαστήριο όσο και στο πεδίο. Τέλος, αναπτύσσεται αναλυτική σχέση υπολογισμού της απαιτούμενης εφαρμοζόμενης αξονικής τάσης για την έναρξη των πρωτογενών εφελκυστικών ρωγμών στη στέψη ή στο δάπεδο ενός κυλινδρικού ανοίγματος που βρίσκεται εντός θλιπτικού εντατικού πεδίου.