Διερεύνηση Χαρακτηριστικών Τροχιάς Καταπτώσεων σε Βραχώδη Πρανή - Επίδραση Κινηματικών Παραμέτρων

Abstract

Η αντιμετώπιση του φαινομένου των καταπτώσεων βράχων προϋποθέτει συνήθως την κατασκευή έργων αναχαίτισης, η διαστασιολόγηση των οποίων γίνεται πλέον με τη χρήση ειδικών λογισμικών. Ωστόσο, παρόλη την έρευνα που έχει ήδη γίνει από πολλούς μελετητές, η απόκριση των βραχοτεμαχών την στιγμή της πρόσκρουσης σε μία πλαγιά παραμένει σε μεγάλο βαθμό αδιευκρίνιστη, γεγονός που προκαλεί πολλές δυσκολίες στην ακριβή προσομοίωση της εκτελούμενης τροχιάς. Η λύση που υιοθετείται μέχρι τώρα βασίζεται στον προσδιορισμό της απώλειας ταχύτητας (ή ενέργειας) με έναν ή δύο συντελεστές (συντελεστές αναπήδησης). Στην βιβλιογραφία, προτείνονται διάφορες τιμές των συντελεστών αυτών που συνδέονται με ένα ορισμένο γεωυλικό. Ωστόσο, κρίνεται ιδιαίτερα απλουστευτικό να θεωρείται ότι οι συντελεστές αναπήδησης είναι ανεξάρτητοι από άλλους παράγοντες, όπως τα χαρακτηριστικά του τεμάχους (βάρος, μέγεθος, σχήμα, αντοχή, στιβαρότητα), την κινηματική του (ταχύτητα πρόσκρουσης μεταφορική ή γωνιακή, γωνία πρόσκρουσης, προσανατολισμός του τεμάχους), ή τα χαρακτηριστικά της βραχώδους επιφάνειας της πλαγιάς (κλίση, τραχύτητα, αντοχή, στιβαρότητα). Έτσι στα πλαίσια αυτής της έρευνας, που σκοπό είχε τη διευκρίνιση της επίδρασης συγκεκριμένων από τους προαναφερθέντες παράγοντες, πραγματοποιήθηκαν 30 ολοκληρωμένες διερευνήσεις που περιλάμβαναν 277 δοκιμές στο εργαστήριο και 16 δοκιμές στο πεδίο. Η τροχιά των τεμαχών καταγραφόταν από ειδική κάμερα και αναλυόταν ώστε να προσδιοριστεί η ταχύτητά του τεμάχους πριν και μετά την κρούση και έτσι να υπολογιστούν οι αντίστοιχοι συντελεστές της αναπήδησης. Αρχικά, η έρευνα επικεντρώθηκε σε εργαστηριακές δοκιμές και ιδιαίτερα στην ανάλυση της συμπεριφοράς ενός συγκεκριμένου γεωυλικού, του μάρμαρου Πεντέλης. Έτσι εξετάσθηκε η επίδραση της μάζας (και κατά συνέπεια του μεγέθους) του τεμάχους στον ολικό συντελεστή αναπήδησης εκτελώντας δοκιμές ελεύθερης πτώσης σε οριζόντιο επίπεδο. Εκτελέσθηκαν σειρές δοκιμών με ίδιες συνθήκες (γεωυλικό, ύψος πτώσης, κλίση επιπέδου πρόσκρουσης, μορφή τέμαχους) αλλά με διαφορετικές μάζες. Στη συνέχεια αναλύθηκε η επίδραση της ταχύτητας πρόσκρουσης στον ολικό συντελεστή αναπήδησης, εκτελώντας σειρές δοκιμών ελέυθερης πτώσης με διαφορετικό ύψος πτώσης για κάθε δοκιμή. Ακόμα, μελετήθηκε η επίδραση της ταχύτητας πρόσκρουσης στον κάθετο και εφαπτομενικό συντελεστή αναπήδησης. Ακολούθως, ερευνήθηκε η επίδραση της κλίσης της επιφάνειας πρόσκρουσης στους συντελεστές αναπήδησης, εκτελώντας δοκιμές ελεύθερης πτώσης σε επιφάνεια με διάφορες τιμές κλίσης. Έπειτα, έγιναν δοκιμές που σκοπό είχαν την αξιολόγηση της επίδρασης της γωνίας πρόσπτωσης. Το σημείο που διαφοροποιεί τη συγκεκριμένη σειρά δοκιμών είναι ότι το τέμαχος προσκρούει στην επιφάνεια έχοντας εκτός από μεταφορική και γωνιακή ταχύτητα. Σε μία προσπάθεια συσχετισμού της απόκρισης, υπό κλίμακα, των τεμαχών που μελετήθηκαν στο εργαστήριο με την πραγματική συμπεριφορά σε πρανή, η έρευνα μεταφέρθηκε στο πεδίο. Εκεί, οι δοκιμές έγιναν σε φυσική κλίμακα και περιελάμβαναν φυσικά χαρακτηριστικά του φαινομένου όπως το φυσικό ανάγλυφο της πλαγιάς και την τραχύτητα, τα οποία δεν υπήρχαν στις δοκιμές εργαστηρίου. Ακολούθως, η έρευνα επεκτάθηκε, μελετώντας στο εργαστήριο 4 ακόμα γεωυλικά που συναντώνται στον ελλαδικό χώρο (ασβεστόλιθος, σχιστόλιθος, χαλαζιακός ψαμμίτης, μάργα). Οι συνθήκες των δοκιμών για τα παραπάνω γεωυλικά ήταν αντίστοιχες με αυτές του μαρμάρου, ώστε να υπάρχει ευχέρεια σύγκρισης και συνολικής αξιολόγησης. Από την συγκριτική ανάλυση των αποτελεσμάτων πρόεκυψε ότι ο κάθετος συντελεστής αναπήδησης εξαρτάται από την γωνιακή ταχύτητα, την ταχύτητα πρόσκρουσης, και την κλίση του επίπεδου πρόσκρουσης. Ο εφαπτομενικός συντελεστής αναπήδησης φάνηκε να είναι ανεξάρτητος από τους παραπάνω παράγοντες. Ακόμα, παρατηρήθηκε ότι ο κάθετος συντελεστής αναπήδησης αυξάνεται με την αύξηση της σκληρότητας του γεωυλικού και την μείωση της τραχύτητας της επιφάνειας πρόσκρουσης. Για την συσχέτιση της σκληρότητας του γεωυλικού με τον συνολικό συντελεστή αναπήδησης προτάθηκε μία σχέση, καθώς επίσης προτάθηκαν τιμές των συντελεστών αναπήδησης για τα 5 γεωυλικά που μελετήθηκαν.

Addressing the phenomenon of rock falls presupposes the manufacture of retaining structures, the design of which happens henceforth with the use of special software. Despite the research done by many scholars, the response of the rock block, the moment of impact on a slope, remains to a great degree unclear, fact that causes a lot of difficulties in the precise simulation of the executed orbit. The solution adopted up to now, quantifies the loss of speed (or energy) with one or two coefficients (coefficient of restitution). In bibliography, various figures of these coefficients proposed, are connected with certain geological material. However, it is judged as very simplistic to assume that the bounce phenomenon is independent from other parameters, such as the block properties (weight, size, form, strength, rigidity), the kinematics (impact velocity and angle, block orientation) or the slope characteristics (strength, inclination, roughness, rigidity). Thus in this research, that aimed the clarification of the effect of some from the mentioned above parameters, 30 different series of laboratory tests were performed which included 277 trials and 16 field tests. A special camera recorded the orbit of the block, which was analyzed in order to calculate the block’s speed before and after the impact and the coefficients of restitution. Initially, the study was focused on laboratory tests and particularly in the analysis of the behavior of Penteli marble. The effect of block’s mass (and accordingly to size) in the total coefficient of restitution was examined, executing trials of free fall in horizontal level. Three series of tests were executed, with the same conditions (rock material, height of fall, block shape) but with different masses. Subsequently the effect of the impact velocity in the total factor of bounce was analyzed, implementing tests series of free fall from a different height. Then, the effect of the slope inclination and impact velocity, in the normal and tangential coefficient of restitution, was studied, executing tests of free fall on surface with various inclinations. Consequently, tests that aimed the evaluation of the effect of impact angle were also conducted. What differentiates the particular series of tests is that the block crashes to the surface having not only translational but rotational velocity too. In order to correlate the response of the block, that was studied in the laboratory with the real behavior that occurs in nature, the research continued in the field. True scale in situ tests were conducted including natural characteristics as the slope roughness which was not present in laboratory tests. Then, the research was extended, studying via laboratory tests 4 geological materials frequently found in Greece (limestone, schist sandstone, marl). The conditions of the tests were corresponding to those of marble, so that comparison and total evaluation of the result to occur. From the comparative analysis of results we concluded that the normal coefficient of restitution depends from the rotational velocity, the velocity of impact, and the stiffness of the slope. The tangential coefficient of restitution was found to be independent from the parameters mentioned above. Furthermore, it was observed that the normal coefficient of restitution is increased with the increase of hardness and the reduction of slope’s roughness. Concluding this thesis, a correlation of hardness with the total coefficient of restitution as well as values for the coefficient of restitution of the 5 geological materials that were studied are proposed.