Τριδιάστατη Ανάλυση Βραχοπτώσεων - Εφαρμογές Στο Πεδίο Και Στο Εργαστήριο

Abstract

Το φαινόμενο της κατάπτωσης των βραχοτεμαχών αποτελεί μία από τις σημαντικότερες κατηγορίες αστοχιών πρανών με επιπτώσεις τόσο στα τεχνικά έργα όσο και στις ανθρώπινες ζωές. Προκειμένου να αποφευχθούν οι καταστροφικές συνέπειες του φαινομένου κρίνεται απαραίτητη η συστηματική μελέτη του καθώς επίσης και η κατασκευή αποτελεσματικών μέτρων ανάσχεσης, η οποία επιτυγχάνεται με τη χρήση κατάλληλων λογισμικών. Παρ΄όλη την έρευνα που έχει πραγματοποιηθεί από πολλούς ερευνητές, η συμπεριφορά των βραχοτεμαχών τη στιγμή της πρόσκρουσης παραμένει σε μεγάλο βαθμό αδιευκρίνιστη λόγω της πολυπλοκότητας του φαινομένου. Για τους απαιτούμενους υπολογισμούς χρησιμοποιούνται εκτός των άλλων ένας ή περισσότεροι συντελεστές αναπήδησης. Στη βιβλιογραφία, παρατίθενται διάφορες τιμές των συντελεστών αναπήδησης συναρτήσει του γεωυλικού. Η θεώρηση αυτή είναι ιδιαίτερα απλουστευτική καθώς οι συντελεστές εξαρτώνται και από άλλους παράγοντες όπως είναι τα χαρακτηριστικά του τεμάχους (βάρος, μέγεθος, σχήμα, αντοχή κ.α.), την κινηματική του (μεταφορική ή γωνιακή ταχύτητα πρόσκρουσης, γωνία πρόσκρουσης, προσανατολισμός του τεμάχους), ή τα χαρακτηριστικά της βραχώδους επιφάνειας της πλαγιάς (κλίση, τραχύτητα, αντοχή κ.α.). Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκαν δοκιμές εργαστηρίου και πεδίου με στόχο τον προσδιορισμό της επίδρασης του σχήματος, να γίνει συγκριτική αξιολόγηση μεταξύ των αποτελεσμάτων πεδίου και εργαστηρίου καθώς και να μελετηθεί η αποτελεσματικότητα της τρισδιάστατης ανάλυσης της τροχιάς των τεμαχών πάνω στο φαινόμενο. Χρησιμοποιήθηκαν τόσο στο εργαστήριο όσο και στο πεδίο σφαιρικά, κυβικά και πολυγωνικά τεμάχη για τη πραγματοποίηση των δοκιμών. Η τρισδιάστατη ανάλυση επιτεύχθηκε μέσω εφαρμογής της μεθόδου της στερεοφωτογραμμετρίας, η οποία αναπτύσσεται στα πλαίσια παράλληλης διδακτορικής διατριβής που γίνεται στο εργαστήριο Τεχνικής Γεωλογίας και Βραχομηχανικής. Το σφάλμα της ανάλυσης κατά την επεξεργασία των δοκιμών ήταν αμελητέο. Η τροχιά των τεμαχών καταγραφόταν από ειδικές φωτομηχανές και αναλυόταν ώστε να προσδιοριστούν οι συντεταγμένες και κατ΄επέκταση η ταχύτητα του τεμάχους πριν και μετά την κρούση και έτσι να υπολογιστούν οι αντίστοιχοι συντελεστές αναπήδησης. Κρίνοντας από τα αποτελέσματα των δοκιμών όσο πιο σφαιρική είναι η μορφή του τεμάχους, τόσο μεγαλύτερη είναι η γωνία αναπήδησης. Παράλληλα, με την αύξηση της γωνίας πρόσπτωσης παρατηρείται εκθετική μείωση τόσο του κάθετου όσο και του ολικού συντελεστή αναπήδησης. Στις εργαστηριακές δοκιμές, για κλίσεις των επιφανειών πρόσπτωσης μεταξύ των 30ο και 50ο παρατηρούνται ελάχιστες τιμές του εφαπτομενικού συντελεστή αναπήδησης. Παρατηρήθηκε πολύ καλή γραμμική συσχέτιση μεταξύ γωνίας αναπήδησης και του κάθετου συντελεστή αναπήδησης. Στο πεδίο σε σύγκριση με το εργαστήριο ο κάθετος συντελεστής αναπήδησης εμφανίζει τιμές μεγαλύτερες της μονάδας για μικρές γωνίες πρόσπτωσης. Παρ’όλο που οι κλίσεις των επιφανειών πρόσπτωσης μεταξύ του πεδίου και του εργαστηρίου έχουν διαφορά από 5ο έως και 10ο, οι τιμές του ολικού συντελεστή αναπήδησης έχουν το ίδιο εύρος και συγκλίνουν στις ίδιες τιμές, παρά την μεγάλη διαφοροποίηση της κινητικής ενέργειας κατά την κρούση.

Rock falls are one of the most important natural hazards with consequences affecting both infrastructure and human beings. In order to avoid their disastrous effects, it is considered essential to study the principles of this phenomenon and construct appropriate mitigation measures, mostly using computational software. Despite previous studies conducted on rock falls by researchers, the motion of a rock mass along a slope remains relatively unexplained because of the complexity of the bounce phenomenon. One or more coefficients of restitution are used in order to study its behavior. In literature, different values for the coefficients of restitution are provided regarding the rock type material. However, this approach is extremely simplistic and misleading since the coefficients of restitution depend, amongst others, on the geometrical properties of the falling block (weight, size, shape, strength, stiffness), its kinematics (translational and rotational impact velocity, impact angle, block’s orientation), the characteristics of the impact surface (inclination, roughness, strength, stiffness). In order to address the rock fall phenomenon, experiments in both the lab and the field were executed. The objectives of this dissertation were to determine the effect of the shape of the falling block upon on the coefficients of restitution, to compare the results of the lab and these of the field in order to address the scale effects and finally to review the effectiveness of the 3D measurement and visualization methodology of the rock fall trajectories, which is under development in the laboratory of Engineering Geology and Rock Mechanics of the National Technical University of Athens. Spherical, cubical and angular blocks were used for the experiments. The 3D measurement was achieved using the principles of stereo photogrammetry. The trajectories of the falling blocks were recorded by two digital cameras using a high recording rate (60 frames per sond), and were analyzed using a customized Matlab code, in order to determine their coordinates and subsequently their velocity before and after the impact resulting to the determination of the coefficients of restitution. Results evaluation of current experimental study shows that, the more spherical becomes the shape of a block, the more increases the rebound angle. Furthermore, increasing the impact angle resulted to an exponential reduction of both the normal and the velocity coefficient of restitution. In the lab tests, the lowest values of the tangential coefficient of restitution were observed for impact angles between 30o to 50o . Furthermore, a relationship between the rebound angle and the normal restitution of coefficient was determined, exhibiting a linear trend. Comparing the results of the lab and the field tests, values of the normal restitution of coefficient exceeding unity, were mostly observed in the field, especially for low values of impact angle. Although the inclinations of the surfaces of the lab and the field differed by 10o, the values of the total restitution of coefficient have the same range and converge on the same values, beside the significantly large difference on the imposed kinetic energy levels between laboratory and field tests.