Διερεύνηση της επίδρασης του εδαφικού καλύμματος βραχωδών πρανών στις καταπτώσεις βράχων

Abstract

Το φαινόμενο των καταπτώσεων βράχων είναι ιδιαίτερα καταστροφικό για τα έργα υποδομής και εξαιρετικά επικίνδυνο για τις ανθρώπινες ζωές. Καθώς είναι ένα σχετικά τυχαίο στην εκδήλωσή του φαινόμενο, με πολλές παραμέτρους που το επηρεάζουν, δεν υπάρχει πλήρης κατανόηση των μηχανισμών που το ελέγχουν, παρά την εκτεταμένη έρευνα που έχει γίνει και συνεχίζεται. Για τους απαιτούμενους υπολογισμούς, με σκοπό τον σχεδιασμό των καταλλήλων μέτρων προστασίας, χρησιμοποιούνται ένας ή και περισσότεροι συντελεστές αναπήδησης των βραχωδών τεμαχών που καταπίπτουν, οι οποίοι λαμβάνουν υπ’ όψιν το γεωυλικό του πρανούς πάνω στο οποίο πραγματοποιείται η κατάπτωση. Αρκετές έρευνες έχουν πραγματοποιηθεί για διάφορα βραχώδη υλικά και την επιρροή τους στους συντελεστές αναπήδησης, αλλά ελάχιστες από αυτές λαμβάνουν υπ’ όψιν την περίπτωση πρανών που είναι καλυμμένα με κάποια στρώση εδαφικού υλικού, κατάσταση η οποία είναι και αρκετά συνήθης στη φύση. Για τον λόγο αυτό στην παρούσα διπλωματική εργασία διεξήχθησαν περίπου 500 δοκιμές, με σκοπό την διερεύνηση του βαθμού επιρροής της επικάλυψης με αργιλικό ή αμμώδες υλικό στον συντελεστή αναπήδησης και έγινε προσπάθεια να δοθεί μια ποιοτική και ποσοτική ερμηνεία για την περιγραφή των πειραματικών αποτελεσμάτων. Οι επιφάνειες πρόσπτωσης διαμορφώθηκαν από δύο τύπου αργιλικά υλικά, ένα χαμηλής και ένα μέσης πλαστικότητας είτε καθαρά, δηλαδή χωρίς προσμίξεις, είτε με την προσθήκη σε συγκεκριμένα ποσοστά δυο τύπων άμμου, της Μ31 και της M34 (Longstone). Η καταγραφή των δοκιμών έγινε από ειδική κάμερα υψηλής ταχύτητας, στο εργαστήριο Τεχνικής Γεωλογίας και Βραχομηχανικής του Ε.Μ.Π. και η επεξεργασία των καταγραφών έγινε με την χρήση ειδικού κώδικα που έχει αναπτυχθεί στο πλαίσιο της σχετικής έρευνας που βρίσκεται υπό εξέλιξη στο Εργαστήριο. Κατά την επεξεργασία των δεδομένων προέκυψε ότι, η αύξηση της ενέργειας πρόσκρουσης, δηλαδή η αύξηση της ταχύτητας πρόσκρουσης και της μάζας, κατ’ επέκταση και της ορμής πρόσκρουσης, προκαλεί μείωση του συντελεστή αναπήδησης. Επίσης, η αύξηση του πάχους στρώσης του εδαφικού υλικού και της περιεχόμενης υγρασίας είτε σε καθαρό είτε σε μείγμα αργιλικού υλικού προκαλεί μείωση του συντελεστή αναπήδησης. Επίσης, η αύξηση του ποσοστού της αργίλου σε εδαφικό μείγμα άμμου - αργίλου προκαλεί αύξηση του αντίστοιχου συντελεστή αναπήδησης εάν πρόκειται για ξηρό υλικό, ενώ αντίθετα προκαλεί μείωση του συντελεστή με προσθήκη νερού και αύξηση της περιεχόμενης υγρασίας. Τέλος, δεν κατορθώθηκε να δοθεί μια στατιστικά σημαντική σχέση που να συνδέει την επιρροή του συντελεστή αναπήδησης για στρώση αργιλικού υλικού συναρτήσει της πλαστικότητας της αργίλου, του πάχους της στρώσης, της ενέργειας πρόσκρουσης και της περιεχόμενης υγρασίας, αλλά προέκυψαν αρκετά χρήσιμα ποιοτικά συμπεράσματα.

Rockfalls poses a significant threat on infrastructure and human lives. Since it is a very random phenomenon which depends on various parameters, there is no advanced understanding through the academic circles; therefore its thorough study is required in order for the engineer to design the mitigation measures. For the necessary calculations the coefficients of restitution are used, whose values are qualitatively expressed based on the slope material composition. Many researches have been performed in order to study the coefficient of restitution values for impacts into various rock materials, however very few have been held for slopes covered with soil materials such as clay or sand, which are very common in nature. Therefore, in the context of the present thesis, approximately 500 tests were carried out in order to study the effect of the soil cover layer on the coefficients of restitution. The impact surfaces were covered with two different clay types, one of low and one of medium plasticity mixed with two types of quartizic sand, M31 and M34 (Longstone) on various combinations. The study was carried out at the Engineering Geology and Rock Mechanics laboratory in the National Technical University of Athens. The tests were recorded by a high speed camera and the data acquisition was made using a machine vision code created in the context of the relative ongoing studies performed in the lab. The obtained data resulted in some satisfactory observations. To begin with, the increase of the block’s impact energy, which is originated from either the increase of the block’s mass or its impact velocity; leads to a decrease in the values of the coefficient of restitution. Furthermore, the increase of the soil’s layer thickness and moisture causes a significant reduction to the corresponding coefficients’ of restitution values. In addition, in a dry soil mix composed of clay and sand, while the clay proportion increases the respective coefficient of restitution increases as well. However, if the soil containes water then an increase of the clay proportion to the mix yields the exact opposite effect. Last but not least, although there was an effort to establish a formula that would link the coefficient of restitution with the plasticity, the water contamination and the thickness of the clay layer as well as with the impact energy, the outcome was not statistically significant but some useful qualitative interpretations were made.