Καταπτώσεις Βράχων Πειραματική Διερεύνηση Επίδρασης της Επιφάνειας Πρόσπτωσης

Abstract

Οι καταπτώσεις βράχων είναι ένα φαινόμενο με καταστροφικά αποτελέσματα σε έργα υποδομής και ιδιαίτερα επικίνδυνο για τις ανθρώπινες ζωές. Για το λόγο αυτό κρίνεται απαραίτητη η συστηματική μελέτη του φαινομένου, έτσι ώστε να είναι δυνατή η κατασκευή αποτελεσματικότερων έργων προστασίας. Τα μέτρα προστασίας που χρησιμοποιούνται διαστασιολογούνται με τη χρήση εξειδικευμένων λογισμικών. Για τους απαιτούμενους υπολογισμούς χρησιμοποιούνται εκτός των άλλων και ένας ή περισσότεροι συντελεστές αναπήδησης. Οι συντελεστές αυτοί συχνά λαμβάνονται υπόψη μόνο ως συνάρτηση του γεωυλικού που αποκολλάται, χωρίς τη θεώρηση άλλων πιθανών παραγόντων που μπορεί να τους επηρεάζουν. Για το λόγο αυτό, στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκαν εργαστηριακές δοκιμές με σκοπό την εξέταση της επίδρασης παραγόντων όπως η τραχύτητα και η αποσάθρωση της βραχώδους επιφάνειας πρόσκρουσης, η γωνία πρόσπτωσης και η σκληρότητα του υλικού της επιφάνειας στους συντελεστές αναπήδησης. Οι επιφάνειες πρόσπτωσης ήταν από μάρμαρο Πεντέλης και σχιστόλιθο διαφορετικής τραχύτητας και βαθμού αποσάθρωσης. Το πίπτον βραχώδες τέμαχος αποτελείτο τόσο από μάρμαρο Πεντέλης όσο και από ένεμα υψηλής αντοχής, γωνιώδους και σφαιρικού σχήματος αντίστοιχα. Οι συνολικά 598 δοκιμές-ρίψεις πραγματοποιήθηκαν σε πειραματική διάταξη που έχει αναπτυχθεί στο πλαίσιο ευρύτερης έρευνας επί του φαινομένου των βραχοπτώσεων που εκπονείται στο εργαστήριο Τεχνικής Γεωλογίας και Βραχομηχανικής. Η καταγραφή των δοκιμών έγινε με ειδική κάμερα υψηλής ταχύτητας και η επεξεργασία των δεδομένων (τροχιών) έγινε με τη χρήση κώδικα ηλεκτρονικού υπολογιστή που αναπτύχθηκε για τον σκοπό αυτό. Υπολογίστηκαν για κάθε ρίψη, οι γωνίες πρόσπτωσης και αναπήδησης, καθώς και οι συντελεστές αναπήδησης. Κρίνοντας από τα αποτελέσματα των δοκιμών, προκύπτει ότι ο συνολικός συντελεστής αναπήδησης δεν επηρεάζεται σημαντικά από την τραχύτητα της επιφάνειας πρόσπτωσης, παρουσιάζει όμως μια μείωση όσο αυξάνεται η αποσάθρωση της επιφάνειας πρόσπτωσης. Σημαντική είναι η επίδραση της γωνίας πρόσπτωσης, καθώς ο συνολικός συντελεστής αναπήδησης λαμβάνει την ελάχιστη τιμή του για κατακόρυφες κρούσεις και αυξάνεται όσο η κρούση γίνεται πιο εφαπτομενική. Η αύξηση των μηχανικών χαρακτηριστικών της επιφάνειας πρόσπτωσης, όπως ο δείκτης σημειακής φόρτισης και η σκληρότητα αναπήδησης, επιδρούν αυξητικά στο συνολικό συντελεστή αναπήδησης. Η επιρροή αυτή γίνεται περισσότερο εμφανής με την αύξηση της γωνίας πρόσπτωσης. Για την πλειονότητα των δοκιμών, ο κάθετος συντελεστής αναπήδησης δε φαίνεται να επηρεάζεται από την τραχύτητα της επιφάνειας πρόσπτωσης. Ακόμη, ο κάθετος συντελεστής αναπήδησης φαίνεται να εξαρτάται τόσο από την αποσάθρωση της επιφάνειας όσο και από την εκάστοτε γωνία πρόσπτωσης. Για μικρές γωνίες, ο κάθετος συντελεστής αναπήδησης αυξάνεται με την αύξηση της αποσάθρωσης. Αντίθετα, για μεγαλύτερες τιμές των γωνιών πρόσπτωσης ο συντελεστής αναπήδησης φαίνεται να μειώνεται με την αύξηση της αποσάθρωσης της επιφάνειας. Επίσης, για μικρές γωνίες η αύξηση του δείκτη σημειακής φόρτισης της επιφάνειας πρόσπτωσης προκαλεί μείωση του κάθετου συντελεστή αναπήδησης. Ενώ για μεγαλύτερες γωνίες πρόσπτωσης του τεμάχους ο κάθετος συντελεστής αναπήδησης φαίνεται να μειώνεται με την αύξηση του δείκτη σημειακής φόρτισης της επιφάνειας. Τέλος, η εξέταση των δοκιμών δεν κατέληξε σε κάποια σαφή σύνδεση του εφαπτομενικού συντελεστή αναπήδησης με την τραχύτητα ή με την αποσάθρωση της επιφάνειας πρόσπτωσης. Επίσης, δε φάνηκε κάποια σαφής σχέση του εφαπτομενικού συντελεστή αναπήδησης με χαρακτηριστικά της επιφάνειας πρόσπτωσης, όπως σκληρότητα ή ο δείκτης σημειακής φόρτισης.

Rock falls are phenomena with disastrous effects on infrastructure and highly dangerous for the human lives. For this reason, the study of the phenomenon is deemed necessary, so that the construction of effective protection works is possible. The protective measures used are sized using specialized software. For the required calculations one or more coefficients of restitution are used, among other things. These coefficients are often considered only as a function of the detached rock material without consideration of other possible factors that may affect them. For this reason, in the present project, laboratory tests were used to examine the influence of factors such as roughness and weathering of the surface of incidence, the angle of incidence and the hardness of the surface material to the coefficients of restitution. The incidence surfaces were simulated by marble and schist with different surface roughness and states of disintegration. The falling piece was simulated by marble and high strength grout of angular and spherical shape respectively. The total of 598 drops was carried out in a construction that is developed within a wider research on the phenomenon of rock falls in the laboratory of Engineering Geology and Rock Mechanics. The tests were recorded using a special high speed camera and they were analyzed using a computer code developed especially for this reason. For each drop the coefficients of restitution, angles of incidence and reflection, etc. were calculated. Judging from the test results, the total coefficient of restitution is not significantly affected by the roughness of the incidence surface and appears to decrease when the disintegration of the surface of incidence is increased. The effect of the angle of incidence is also important, as the lowest value of the normal coefficient of restitution is reached for the vertical impacts and increases as the impact becomes more tangential. The increase in the mechanical properties of the incidence surface such as the point load strength and rebound hardness drive the overall coefficient of restitution up, this influence becomes more evident with increasing incidence angles. For the majority of the tests, the normal coefficient of restitution did not appear to be influenced by the roughness of the incidence surface. Moreover, the normal coefficient of restitution appears to depend both on surface disintegration and on the incidence angle. For smaller angles, the normal coefficient of restitution increases with the increase of surface erosion. However, for larger values of incidence angles the normal coefficient of restitution appears to decrease with the increase of surface disintegration. Also, for small angles, increasing the surface point load strength causes a reduction of the normal coefficient of restitution. While for larger angles the value of the normal coefficient of restitution appears to decrease when the surface’s point load strength is increased. Finally, the examination of the tests’ results did not show any clear connection between the tangential coefficient of restitution and the roughness or the erosion of the incidence surface. Also, no clear correlation between the tangential coefficient of restitution and surface characteristics such as Schmidt hammer hardness or point load strength was determined.