Αυτή είναι μια προσπάθεια να δημιουργηθεί μια αυτοτελής ενότητα εκμάθησης στο γνωστικό αντικείμενο της Γεωτεχνικής Διερεύνησης του Υπεδάφους. Παρακαλώ «δέστε τις ζώνες σας». Καθίστε πίσω αναπαυτικά, χαλαρώστε και απολαύστε το …. ταξίδι.

Γεωτεχνική Διερεύνηση Υπεδάφους Αφήγηση από: Δρ. Κώστα Σαχπάζη Site investigation plays an important role in the early days of most civil engineering projects. The idea is to obtain adequate information about the soil conditions at the site, at minimal cost. We do in situ (or field) tests, and take samples for laboratory tests.

Μερικοί παραγνωρισμένοι ήρωες των έργων γεωτεχνικής μηχανικής... Θεμελιώσεις Έρευνα Υπεδάφους Σήραγγες All structures need proper foundations. To design good foundations, it is essential to know the geotechnical characteristics of the underlying ground. The only way to know them is to test the soil. … θαμμένοι ακριβώς κάτω από τα πόδια σας.

Μια καλή Γεωτεχνική Διερεύνηση Υπεδάφους είναι βασική προϋπόθεση. A good site investigation is a prerequisite for most infrastructure developments, railways, bridges, buildings and dams.

? Απαιτείται καλή γνώση των εδαφικών συνθηκών Προβληματικά Εδάφη Προτεινόμενη κατασκευή Απαιτείται καλή γνώση των εδαφικών συνθηκών ? Προβληματικά Εδάφη Π.χ., αντιδραστικές άργιλοι, μαλακά εδάφη, έγκοιλα κατάρευσης, κλπ. Building on a site without knowing the soil conditions can be very dangerous. There could be unexpected problems in the future due to ground movements caused by pockets of weak soils, reactive clays, and sink holes formed in karst terrain. By the way, sink holes are solution cavities formed in limestones.

Απαιτούμενα Εδαφικά Στοιχεία: Εδαφικό Προφίλ - Πάχος στρώσης και ταυτοποίηση εδάφους Ιδιότητες κατάταξης εδάφους - ποσοστό υγρασίας, όρια Atterberg, κοκκομετρία, κλπ. Χαρακτηριστικά Αντοχής & παραμορφωσιμότητας One of the major objectives of the site investigation exercise is to define the soil profile. Here we determine the different soil layers and their thicknesses. Index properties such as water contents and Atterberg limits are reasonably easy to obtain and are quite useful in classifying the soil. They can also be used in empirical correlations to estimate other soil properties. We often need strength and compressibility characteristics such as cohesion, friction angle, overconsolidation ratio and so on. - c’, cu, ’, Cc, Cr, O.C.R., … Άλλα στοιχεία (π.χ., στάθμη υπόγειων νερών)

Βιβλιογραφική έρευνα-μελέτη Πρώτο στάδιο της Γεωτεχνικής Διερεύνησης Υπεδάφους. Αμελητέο κόστος. Ψάξε οποιαδήποτε πηγή (π.χ., πρόσφατες διαθέσιμες πληροφορίες) Αεροφωτογραφίες Τοπογραφικοί χάρτες διάφορων κλιμάκων Γεωλογικοί χάρτες διάφορων κλιμάκων Υπάρχουσες μελέτες ή εκθέσεις γεωτεχνικής διερεύνησης υπεδάφους (για παρακείμενες περιοχές) Άλλες πληροφορίες. Από τοπικά συμβούλια, άρθρα, κατοίκους, κλπ.

Αναγνώριση Περιοχής Μία επίσκεψη στην περιοχή και μία συνομιλία με τους ντόπιους θα βοηθήσει. Πρόσβαση – προσπέλαση περιοχής Τοπογραφία - Μορφολογία Γεωλογικές συνθήκες περιοχής Κατάσταση παρακείμενων κατασκευών Καταγραφή κάθε εμφανών προβλημάτων στην περιοχή (Καθιζήσεις, κατολισθήσεις, ερπυσμοί, αστοχίες, διαβρώσεις, κλπ)

γεωτρύπανο τσάπα Γεώτρηση Δοκιμαστική Τάφρος Άργιλος 75 mm διάμετρος 10-30 m βάθος Δοκιμαστική Τάφρος 1-2 m πλάτος 2-4 m βάθος Άργιλος We can drill bore holes using drill rigs or dig trial pits using backhoes. Trial pits are cheap and are of good value, but they are limited in depth. They give the opportunity to have a good look at the soil and stratifications within the top couple of meters. When we want to go deeper, bore holes are quite effective. We can do in situ tests within these bore holes and collect undisturbed samples from clay layers.

Δοκιμαστική Τάφρος Επιτρέπει την οπτική επιθεώρηση, τον εντοπισμό των ορίων των στρωμάτων, και την πρόσβαση σε αδιατάρακτα εδαφικά δείγματα φραγμών. Μία πολύ μεγάλη Δοκιμαστική Τάφρος This is a fairly large trial pit for a job in Hong Kong. It needs dewatering.

Στερεοποίηση, τριαξονικές δοκιμές στο εργαστήριο Σε στρώματα Αργίλου… συλλέξτε τα αδιατάρακτα εδαφικά δείγματα αργίλου με λεπτού τοιχώματος δειγματοληπτική συσκευή (π.χ. δειγματολήπτη τύπου shelby) Άργιλος In clay layers, generally we collect undisturbed samples from various locations within bore holes. These are later used for consolidation and triaxial tests in the laboratory. We use thin walled samplers and piston samplers to obtain good quality undisturbed samples. Στερεοποίηση, τριαξονικές δοκιμές στο εργαστήριο Γεώτρηση

Αδιατάρακτα Δείγματα Αργίλου Απαιτούνται για τριαξονικές δοκιμές στερεοποίησης στο εργαστήριο. Καλής ποιότητας δείγματα απαραιτήτως. δειγματολήπτης έδαφος AR<10% Δείκτης επιφάνειας Area ratio AR is used to quantify the sample disturbance, which understandably increases with wall thickness. For good quality samples it should be less than 10%. Wrapping in plastic bags, waxing the ends of the sampling tubes are some simple techniques adapted to preserve the moisture content. Όσο παχύτερο το τοίχωμα, τόσο μεγαλύτερη η διαταραχή του δείγματος. Προσοχή κατά την μεταφορά και τον χειρισμό του δείγματος.

Στα Χονδρόκοκκα Εδάφη … Πολύ δύσκολο να παραληφθούν αδιατάρακτα δείγματα.  Επιλέχτε καλύτερα επιτόπιες δοκιμές υπαίθρου. Π.χ., Δοκιμές Πρότυπης Διείσδυσης It is very difficult to get undisturbed samples in granular soils. Therefore, we go for in situ tests to determine the soil characteristics. Το 80-90% των περιπτώσεων σχεδιασμού θεμελιώσεων βασίζεται σε Δοκιμές Πρότυπης Διείσδυσης

Δοκιμές Διείσδυσης Μέτρηση της αντίστασης του εδάφους κατά την διείσδυση του ειδικού στελέχους. ’, E … στέλεχος διείσδυσης Στάθμη εδάφους (GL) In penetration tests, we drive a tool attached to the drill rod into the soil and measure the soil resistance. This resistance is empirically correlated to geotechnical parameters such as friction angle, soil stiffness etc. Standard penetration test, known as SPT, and cone penetration test, known as CPT, are the two common in situ penetration tests. More than 80% of the foundations designs are carried out based on SPT or CPT results.

Πόσες Γεωτρήσεις χρειάζονται; 120 m 100 m Προτεινόμενη περιοχή για ένα πολυόρωφο εμπορικό συγκρότημα γεώτρηση At this site, the four bore holes at the corners are not enough to adequately define the soil conditions at the site. Probably, the geotechnical engineer was too stingy. Λίγες γεωτρήσεις. Το εδαφικό προφίλ και οι εδαφομηχανικές ιδιότητες δεν προσδιορίζονται επαρκώς..

Πόσες Γεωτρήσεις χρειάζονται; 120 m 100 m Here, the soil is well defined, but too many holes make the site investigation a very expensive exercise. The client will not be happy. Πολλές γεωτρήσεις και… «ξετινάζεται» ο προϋπολογισμός.

Πόσες Γεωτρήσεις χρειάζονται; 120 m 100 m Δοκιμαστική Τάφρος Here, we strike a good balance. Trial pits are quite cheap, and they certianly have a place in site investigation. Σχεδόν καλά;

Πόσες Γεωτρήσεις χρειάζονται; Ο αριθμός των απαιτούμενων γεωτρήσεων εξαρτάται από: Τον τύπο και το μέγεθος του έργου Τον προϋπολογισμό για την γεωτεχνική διερεύνηση Την εδαφική ποικιλότητα Τυπικά οι γεωτρήσεις διατάσσονται σε αποστάσεις 20-40 m για κτίρια που δεν προορίζονται για κατοικίες. The $60,000 question is how many bore holes do we need for a particular site. There is no easy or definite answer. It depends on many factors such as type of the job, available funds, soil variability and so on. Every additional bore hole can cost considerable money. On the other hand, not having enough bore holes means we don’t have adequate information about the underlying soil. Always try to stretch your dollars, and get good value for the money spent on site investigation. Χωροθετήστε τις γεωτρήσεις όπου αναμένεται συγκέντρωση ιδιαίτερων φορτίων. Προτεινόμενο κτίριο

Πόσο βαθιά να διερευνήσω ; Διερεύνησε το υπέδαφος μέχρι το βάθος όπου αποσβένονται αρκετά οι τάσεις. Δηλαδή μέχρι το βάθος όπου αναπτύσσονται οι σημαντικοί βολβοί τάσεων. In bore holes, it will cost $40 - $50 for every additional meter. Therefore, we should only explore the soil to the minimum depth necessary.

Δοκιμή Προτύπου Διεισδύσεως (SPT) Σφύρα 65 kg Πτώση 760 mm Μετράμε τον αριθμό των κτύπων που απαιτούνται για διείσδυση 300 mm αμόνι Αριθμός Κτύπων ή Τιμή-N Standard penetration test, fondly known as SPT, was developed in North America in 1927 and is still the most common in situ test. Here, we drive a 51 mm diameter split-spoon sampler into the ground using a 65 kg hammer dropped by 760 mm. The number of blows required to drive the sampler by 300 mm is known as the blow count or N-value. Στέλεχος γεωτρύπανου Διαιρετός δειγματολήπτης

Δοκιμή Προτύπου Διεισδύσεως (SPT) Αν και δίδει κάποια προσέγγιση Κυρίως για τα χονδρόκοκκα εδάφη. Αναξιόπιστη για τις Αργίλους Η τιμή-N συσχετίζεται με tα ’, E … Εκτελείται μέσα στις γεωτρήσεις σε διαστήματα βάθους 1.5 - 3 m περίπου Συλλέγονται δείγματα (διαταραγμένα) με τον διαιρετό δειγματολήπτη SPT works well in granular soils. In clays, the results are unreliable due to pore pressures developed during driving. The N-values in granular soils are correlated to friction angle, Young’s modulus and relative density. The blow counts are determined at 1.5 m depth intervals. The samples collected in the split spoon can be used for classifying the soil. They are too disturbed for any meaningful test requiring undisturbed samples. έδαφος I.D. = 35 mm O.D.= 51 mm AR = 112%. Χρησιμεύει μόνο για ταξινόμηση

Δοκιμή Προτύπου Διεισδύσεως (SPT) On left is a schematic diagram of the SPT setup. Έρευνα στη Σαουδική Αραβία

Σφύρα της δοκιμής S.P.T.

Διορθώσεις της δοκιμής SPT (N1)60 = CER CN N Διορθωμένος αριθμός κρούσεων Μετρημένος αριθμός κρούσεων The blow count measured in the field is a crude measure of soil strength and stiffness. There are few variables that can influence this value. Therefore, we apply some corrections to make the N-value more meaningful. The two most important corrections are for overburden and energy rating of the hammer. There are other corrections for bore hole diameter, drill rod length and so on. Διόρθωση υπερκειμένων εδαφών Διόρθωση ενέργειας

Συσχετισμοί SPT στις Αργίλους Μη διορθωμένο για υπερκείμενα N60 cu (kPa) Συνεκτι-κότητα Μακροσκοπική Περιγραφή 0-2 0 - 12 Πολύ Μαλακή Εξιδρώνει μεταξύ των δάχτυλων όταν συμπιέζεται στην παλάμη 2-4 12-25 Μαλακή Εύκολα μορφοποιείται στα δάχτυλα με ελαφρά πίεση 4-8 25-50 Μέσης Συνεκτικότητας Μορφοποιείται στα δάχτυλα μόνο με ισχυρή πίεση 8-15 50-100 Στιφρή Δεν μπορεί να μορφοποιηθεί στα δάχτυλα αλλά υποχωρεί ελαφρά με την πίεση του δείκτη 15-30 100-200 Πολύ Στιφρή Μόνο υποχωρεί με ισχυρή πίεση του νυχιού του δείκτη >30 >200 Σκληρή Μόνο χαράσσεται με ισχυρή πίεση του νυχιού του δείκτη Although SPT is not recommended for clays, there is still some value. This table relates N60 values in clays to the undrained shear strength and consistency. Να χρησιμοποιηθεί με Προσοχή. Αναξιόπιστο!!

Συσχετισμοί SPT στα Χονδρόκοκκα Εδάφη Μη διορθωμένο για υπερκείμενα (N)60 Dr (%) Περιγραφή 0-4 0-15 Πολύ χαλαρό 4-10 15-35 Χαλαρό 10-30 35-65 Μέσης πυκνότητας 30-50 65-85 Πυκνό >50 85-100 Πολύ πυκνό These are for granular soils, and can be used as a rough guide.

Δοκιμή Διείσδυσης Κώνου (CPT) Δυναμική Δοκιμή Διείσδυσης Κώνου (DCPT) Στατική Δοκιμή Διείσδυσης Κώνου (SCPT) Πιέζεται εντός του εδάφους με ταχύτητα 2 cm/sec Όμοια με SPT. Με κτύπους σφύρας Με χρήση κώνου αντί διαιρετού δειγματολήπτη Δίδει συνεχόμενες μετρήσεις Cone penetration test, known as CPT, originated from Netherlands in 1930s. A cone attached to the drill rods is forced into the ground and the resistance is measured. Dynamic cone penetration test is similar to SPT, and we measure the blow counts. Unilke the split spoon sampler in SPT, we cannot get samples from CPT. We have a DCPT rig at JCU, which we use for consulting jobs. In static cone penetration test, the cone is pushed into the ground at the rate of 2 cm/s, and measurements are taken continuously. Κλειστό άκρο. Χωρίς δείγμα. Δίδει τους αριθμούς κτύπων ανά διαστήματα βάθους 1.5 m

Δυναμική Δοκιμή Διείσδυσης Κώνου Απλή και χονδρική. Καλύτερη από SPT ή SCPT σε σκληρά εδάφη, όπως πυκνά χαλίκια Τόσο χονδρική όσο και η SPT. Στηρίζεται στους συσχετισμούς που βασίζονται στους αριθμούς κτύπων Κενό (διαιρετό) Dynamic cone penetration is as simple and as crude as SPT. In dense gravels, which can damage the split spoon sampler, DCPT is a good alternative. SPT DCPT Συμπαγές (χωρίς δείγμα)

Στατική Δοκιμή Διείσδυσης Κώνου 10 cm2 εμβαδόν Τριβή του μανδύα (fs) Λόγος τριβής, fR = fs qc  100 % Τυπικά 0 ———— 10%. κοκκώδη συνεκτικά The 600 cone used in static cone penetration test has 10 cm2 cross section. When pushed into the ground, we measure the cone resistance and sleeve friction continuously and plot with depth. The friction ratio, which is the ratio of sleeve friction to cone resistance, expressed as a percentage, can vary between 0 and 10 percent. Αντίσταση κώνου (qc) ή αντίσταση αιχμής (qT)

Πιεζοκώνος (CPTU) Ένας μοντέρνος στατικός κώνος. Μετράει επίσης την πίεση νερού πόρων. Πιέζεται εντός του εδάφους Πιεζοκώνος με κεφαλή Πορώδης λίθος για τη μέτρηση της πίεσης νερού πόρων Piezocone is simply static cone, which can also measure pore water pressure.

Πιέζεται με ταχύτητα 20 mm/sec Συνεχόμενες μετρήσεις of qc, fs και u. The cone is pushed into the ground at a rate of 20 mm/s, and the cone resistance, sleeve friction and the pore water pressure are measured continuously.

Ερμηνεύοντας τα στοιχεία του SCPT From the cone resistance, friction ratio and pore water water pressure, you can easily identify the soil using the charts in the next slide. Βλέπε επόμενη διαφάνεια

Ερμηνεύοντας τα στοιχεία του SCPT (Πιεζοκώνου) Τύπος Συμπεριφοράς Εδάφους (κατά Robertson et al., 1986; Robertson & Campanella, 1988) 1 – Ευαίσθητα λεπτόκοκκα 5 – Αργιλώδης Ιλύς 9 – Άμμος 2 – Οργανικά εδάφη 6 – Αμμώδης ιλύς 10 – Χαλικώδης άμμος 3 – Άργιλος 7 – Ιλυώδης άμμος 11 – Πολύ στιφρά λεπτόκοκκα* 4 – Ιλυώδης άργιλος έως Άργιλος 8 – Άμμος με ιλύ 12 – Αργιλώδης άμμος* *Σημείωση: Υπερστερεοποιημένα ή σιμεντοποιημένα

Διαγραφίες - στις Η.Π.Α. This is just an example of piezocone data plotted with depth. On the right, you can see the soil profile, identified using these plots, and the charts you saw in the previous slide. Πηγή: Professor. P.W. Mayne, Georgia Inst. of Technology

Διορθώσεις του SCPT Σε Αργίλους, Συντελεστής κώνου (15-20). Μεταβάλλεται ανάλογα με τον κώνο Σε Άμμος, E = 2.5-3.5 qc (για νέες κανονικά στερεοποιημένες αργιλώδεις άμμους) Undrained shear strength in clays, and Young’s modulus in sands can be obtained from the cone resistance, using these empirical correlations. Nk, known as cone factor, varies from cone to cone. Check the manufacturers literature or you may have to calibrate it.

Σχέση των qc/N στα Χονδρόκοκκα Εδάφη Sometimes we either have CPT data or SPT data available and it is useful to be able to go from one to the other. In other words, what is the cone resistance corresponding to N value of 28? It depends on the average grain size. You can use this graph as a guide to estimate qc/N60 ratio, for a specific grain size. qc σε kg/cm2 (1 kg/cm2 = 98.07 KPa)

’ από SPT/CPT σε Χονδρόκοκκα Εδάφη From the penetration resistance you obtain from SPT or CPT, you can estimate the friction angle of the granular soil using these charts. Κατά Meyerhof (1976) Κατά Peck et al. (1974)

Δοκιμή Πρεσσιομέτρησης Διόγκωση ενός κυλινδρικού στοιχείου μέσα στην γεώτρηση. Η πιο αντιπροσωπευτική από όλες τις επι-τόπου δοκιμές Δίδει την αντοχή, τους δείκτες, K0, cv… Κατάλληλη για όλα τα εδάφη Κυλινδρικό στοιχείο θωράκιση Pressuremeter was developed in France in late 1950s. It is one of the best in situ testing devices around today. It is a cylindrical probe with guard cells at both ends. The probe is lowered into the bore hole, to the desired depth, and is expanded using air. From the resistance to expansion, most geotechnical parameters can be obtained. It works well in sands and clays. It is quite popular in Europe. πρεσσιόμετρο

Δοκιμή Διασταλτικότητας (Dilatometer Test) Προχώρηση σε 20 mm/sec. Δοκιμή σε κάθε 200-300 mm. Δεξαμενή αζώτου για τη διόγκωση της μεμβράνης. Δίδει: cu, K0, OCR, cv, k, ακαμψία εδάφους. Ταυτοποίηση εδάφους (από διάγραμμα). Όμοιο με τον κώνο Dilatometer was developed in Italy by Professor Marchetti. It consists of a steel blade having a thin, circular expandable membrane mounted on one face. It is pushed into the ground and the membrane is expanded using air. From the resistance offered by the soil to expansion, several soil parameters can be determined. 60 mm διαμ. Μεμβράνη από εύκαμπτο χάλυβα

Κώνος Πρεσσιομέτρου Συνδυάζει πιεζοκώνο και πρεσσιόμετρο. Όχι συνηθισμένη δοκιμή, και εξειδικευμένη. Πρεσσιόμετρο This is from Fugro, an international geotechnical firm. They have developed this cone pressuremeter, exploiting the advantages of both piezocone and pressuremeter. Πιεζοκώνος

Δοκιμή Διάτμησης Πτερυγίου μετράει την ροπή στρέψης στην κεφαλή Για αργίλους, και κυρίως για μαλακές αργίλους. Γεώτρηση Μετράει την ροπή που απαιτείται ώστε το πτερύγιο να διατμήσει γρήγορα την μαλακή άργιλο εντός της οποίας έχει διεισδύσει.  αστράγγιστα h2d d Vane shear test is very useful in determining undrained shear strength of clays, mainly soft clays. The vane consists of four rectangular blades, mounted perpendicularly to a shaft. This is pushed through the bottom of a bore hole for testing. A torque is applied to the vane, shearing the clay along a cylindrical surface, and thus freely rotating the vane. From the torque applied, the undrained shear strength can be determined. A scaled down version is used in the laboratory to determine the undrained shear strength of soil samples. ροπή  αστράγγιστη διατμητική αντοχή cu Πτερύγιο Συνήθως, d = 20-100 mm. πτερύγιο μαλακή άργιλος

Δοκιμή Διάτμησης Πτερυγίου Επιφάνεια Αστοχίας Δοκιμή σε εξέλιξη

Δοκιμή Φόρτισης Πλακός Φόρτιση μιας τετραγωνικής πλάκας (300 mm x 300 mm) έως αστοχίας. Σχεδίαση τάσης ενάντια καθίζησης, και παρέκταση έως το πραγματικό μέγεθος. Η διάταξη της φόρτισης την κάνει «ακριβή» δοκιμή. Καλή για ανομοιογενή επιχώματα. Καταγράφει την μέση εδαφική συμπεριφορά. In a plate load test, we incrementally load a square plate of say about 300 mm x 300 mm, and plot the settlement against the applied pressure. This gives an overall picture on what happens when we load a larger footing of say 5 m x 5 m. πλάκα τάση καθίζηση Διαδικασία δοκιμής υπαίθρου.

Συνήθη Όργανα επι-τόπου Δοκιμών S.P.T. In summary the common in-situ testing devices are: Standard Penetration Test (SPT) <5sec> Vane shear test (VST) <10sec> Pressuremeter Test (PMT) <15sec> Cone Penetration Test (CPT) <22sec> Dilatometer Test (DMT) <27sec> Πτερύγιο Πρεσ-σιόμετρο Διαστα-λόμετρο Κώνος Σε Γεωτρήσεις

Πενετρόμετρο «Τσέπης» Μια απλή φορητή συσκευή για την μέτρηση της αντοχής σε ανεμπόδιστη θλίψη (qu = 2 cu) μίας αργίλου. Πολύ χονδρική Χρησιμοποιείται σε δοκιμαστικές τάφρους και σε δείγματα. Εϊναι απαραίτητο σε κάθε «μάχιμο» Γεωτεχνικό Μηχανικό ή Γεωλόγο Μηχανικό. Pocket penetrometer to a geotechnical engineer is like a stethoscope to a doctor. It is an easily affordable and handy device all geotechnical engineers should have. It gives undrained shear strength of clays. Just push it into the clay and read off the scale. Being so cheap, it has a price. It is unreliable. ...δείχνει την αντοχή Πιέζεται μέσα στην άργιλο, και…..

Κόστος σε σχέση με την Ακρίβεια Σχετική Ακρίβεια Δοκιμής Σχετικό Κόστος ανά δοκιμή Πρεσσιομέτρηση Δοκιμή Διείσδυσης Δυναμικού Κώνου Good things no cheap. Cheap things no good. The most reliable and accurate tests often come at a cost. The pocket penetrometer and heel print tests cost nothing, but their use also is limited. May be, SPT strikes a good balance!! Δοκιμή Διείσδυσης Στατικού Κώνου Δοκιμή Πρότυπης Διείσδυσης Δοκιμή Πενετρόμετρου «Τσέπης»

…ο Πύργος της Πίζας δεν θα έγερνε σήμερα! Εάν είχαν πραγματοποιήσει μία κατάλληλη γεωτεχνική διερεύνηση υπεδάφους… …ο Πύργος της Πίζας δεν θα έγερνε σήμερα!