Διερεύνηση των γεωτεχνικών παραμέτρων που ελέγχουν τις καταπτώσεις βράχων

Abstract

Rockfalls in areas with human activity can cause important problems with unfavorable social and economic repercussions. Several events have occurred recently in Greece, some with human fatalities Rockfalls constitute a natural hazard that is expressed as the sudden and violent downward movement of rocky blocks, which is gravitationally driven and follows their detachment from their initial position on the slope surface. While the blocks interact with the slope surface, velocity losses occur during impact, rolling or sliding. Rebound response is the most difficult part to predict and its understanding is limited, therefore simulation relies on simplified assumptions. In general, the post-impact part of the trajectory is estimated according to the coefficients of restitution, which describe the velocity or energy losses caused by the impact.Various definitions for the coefficients of restitution exist in relevant literature, but there is no consensus on which is most appropriate for rockfall trajectory modelling. Their values are usually acquired as a function of the material type, from characteristic values which are considered to be material constants. However, due to the several parameters which influence block’s response, a significant scatter is revealed when examining values acquired by different studies.Hence, this research is based on systematic experimental observations and inductive reasoning. Moreover, experimental apparatuses where developed, allowing parametrical investigation of the rebound process. A significant number of tests were performed in the laboratory as well as in the field. Results were used to address the influential parameters and to express empirical correlations and methodologies for the estimation of the trajectory’s characteristics after impact.A test for the determination of the coefficients of restitution can be easily performed, since it requires the release and impact of a block towards a surface while recording the trajectory. However, there is not any suggested method for such a test, resulting to a difficulty in assessing relevant studies.Tests were performed with natural rocks and artificial materials, whose properties were determined according to relevant standards. Artificial materials present advantages regarding specimen construction and digital processing. Various block shapes were used and released to free fall or parabolic motion onto surfaces with different characteristics.In general, the motion is completed within a short time span, therefore its recording is usually performed by high speed cameras. In this research, particular attention was paid to the tracking process of the block by integrating machine vision techniques. This drastically increased tracking accuracy and reduced the required processing time, compared to manual tracking. This allowed the implementation of numerous tests in the laboratory, where specific parameters were isolated in order to determine their effect.Although the phenomenon is evolving in the three-dimensional space, the third dimension was rarely taken into account until recently in relevant studies or commercial simulation software. In this investigation the reconstruction of the trajectory in the 3D space, was achieved by applying stereo-photogrammetric techniques in the processing of records, thus allowing the consideration of blocks deviation after impact.The laboratory investigation consists of approximately 3000 tests, where the effects posed by material’s physical and mechanical properties and by the motion’s characteristics before impact were examined. Regarding the individual blocks, the effect of mass, shape, velocity and impact angle were examined. For the impact surfaces the following effects were taking into account: roughness, weathering, soil cover and the differentiation of the material relative to that of the blocks. Additionally, the effect of the orientation of the impact surface relative to the direction of the trajectory of the blocks was also investigated.Field tests were done in three phases, where about 300 tests were executed in total. The purpose was to examine the possibility of extrapolating the findings of the aforementioned extensive laboratory investigation to the scale that the phenomenon takes place. Thus, tests were carried out by reproducing, as possible, the laboratory conditions in the field.Generally, the results of this study are in agreement with those mentioned in the relevant literature. However, given the number of tests and the parameters investigated, the interaction between them is revealed. Thus, current results complete, or in some cases review, the existing knowledge regarding the crucial parameters and the mechanisms that affect the response of the block. Additionally, new methods for estimating the trajectory following the impact are proposed.In particular, a correlation is expressed in order to estimate the normal restitution coefficient, for the simple case of the one dimensional motion of a spherical block, taking into account Schmidt hammer hardness and the momentum at impact. The effects of block’s shape and impact angle are introduced, through correctional factors, allowing the generalization to the common case of an irregular block at an oblique impact. Additionally, a methodology is established for determining the variation of normal coefficient of restitution and rebound angle based on the characteristics of the impact, from which trajectory after impact can be accurately estimated. Finally, an empirical relationship is proposed for the estimation of deviation range followed after impact, taking into account the direction of the trajectory prior to impact in respect to dip and aspect of the impact surface.The derivation of these correlations and methodologies was based on the laboratory investigation, while the field tests were used to assess their reliability. Since the response of the blocks in the field tests is approximated sufficiently well by the proposed relations, it is concluded that their generalization to the real scale of rockfall phenomenon is possible and therefore they can constitute useful tools for the rational design of rockfall countermeasures.

Η κατάπτωση βραχωδών τεμαχών σε περιοχές με ανθρώπινη δραστηριότητα μπορεί να προκαλέσει σημαντικά προβλήματα με δυσμενείς κοινωνικές και οικονομικές επιπτώσεις. Τα πρόσφατα παραδείγματα από τον Ελλαδικό χώρο είναι αρκετά, όπου σε περιπτώσεις καταπτώσεων υπήρξαν ακόμη και απώλειες ανθρώπινων ζωών.Οι καταπτώσεις βράχων αποτελούν φυσικό φαινόμενο και εκδηλώνονται με την αιφνίδια και βίαια κίνηση μεμονωμένων βραχωδών τεμαχών, με κινητήριο δύναμη την βαρύτητα, μετά την αποκόλληση - απόσπασή τους από την αρχική τους θέση στα πρανή. Τα τεμάχη υφίστανται απώλεια ταχύτητας κατά την πρόσκρουση, την κύλιση ή την ολίσθησή τους στην επιφάνεια του πρανούς. Η προσομοίωση της αναπήδησης είναι ιδιαιτέρως πολύπλοκη και δεν επιδέχεται αναλυτικής λύσης. Έτσι, έχει επικρατήσει να γίνεται απλουστευμένα με την χρήση των συντελεστών αναπήδησης, που περιγράφουν την απώλεια ταχύτητας ή ενέργειας εξαιτίας της κρούσης. Γενικώς, στη σχετική βιβλιογραφία διατίθεται πλήθος μαθηματικών ορισμών για τους συντελεστές αναπήδησης, χωρίς να είναι σαφές ποιος περιγράφει καλύτερα την αναπήδηση. Οι τιμές που χρησιμοποιούνται στις πρακτικές εφαρμογές επιλέγονται βάσει της φύσης του υλικού που δομεί το πρανές. Για τον σκοπό αυτό υπάρχουν προτεινόμενες τιμές που θεωρούνται ως χαρακτηριστικές των υλικών. Ωστόσο, παρουσιάζουν σημαντικό εύρος μεταξύ διαφορετικών διερευνήσεων, απόρροια των πολλών και ευμετάβλητων παραμέτρων που επηρεάζουν την απόκριση του τεμάχους. Η προσέγγιση της παρούσας έρευνας βασίζεται στην πειραματική διερεύνηση και στον επαγωγικό λογισμό. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν πειραματικές διατάξεις πρόσφορες για την παραμετρική διερεύνηση της αναπήδησης και πραγματοποιήθηκε σημαντικός αριθμός δοκιμών στο εργαστήριο και στο πεδίο. Τα αποτελέσματα αξιοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό των κρισιμότερων παραμέτρων που επηρεάζουν την απόκριση του τεμάχους και για την κατάρτιση εμπειρικών συσχετίσεων και μεθοδολογιών εκτίμησης των χαρακτηριστικών της διαγραφόμενης τροχιάς.Γενικώς, η εκτέλεση μιας δοκιμής για τον προσδιορισμό των συντελεστών αναπήδησης είναι εύκολα πραγματοποιήσιμη, καθώς αρκεί η απελευθέρωση και πτώση ενός τεμάχους σε μια βάση πρόσκρουσης με ταυτόχρονη καταγραφή της κίνησης. Ωστόσο, δεν υφίσταται κανονιστικό πλαίσιο για την διεξαγωγή τέτοιων δοκιμών, με επακόλουθο να μην είναι ευχερής η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων από άλλες σχετικές διερευνήσεις. Οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν, στο πλαίσιο της παρούσας έρευνας, με φυσικά πετρώματα και με τεχνητά υλικά, για τα οποία προσδιορίστηκαν οι φυσικές και μηχανικές ιδιότητας σύμφωνα με τις εκάστοτε προδιαγραφές. Τα τεχνητά υλικά εμφανίζουν σημαντικά πλεονεκτήματα στην διαμόρφωση των τεμαχών και την συστηματοποίηση της επεξεργασίας. Χρησιμοποιήθηκαν τεμάχη διαφόρων σχημάτων που απελευθερώθηκαν, από κατάλληλους μηχανισμούς ρίψης, σε ελεύθερη πτώση ή παραβολική τροχιά και προσέκρουαν σε επιφάνειες με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Γενικώς, η κίνηση του τεμάχους ολοκληρώνεται σε ιδιαιτέρως σύντομο χρονικό διάστημα, οπότε η καταγραφή γίνεται συνήθως με φωτομηχανές ταχείας λήψης. Δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στην αναγνώριση και στον εντοπισμό της θέσης του τεμάχους στις καταγραφές, ενσωματώνοντας στην επεξεργασία τεχνικές μηχανικής όρασης. Έτσι, αυξήθηκε δραστικά η ακρίβεια προσδιορισμού της τροχιάς και συγχρόνως περιορίσθηκε ο απαιτούμενος χρόνος επεξεργασίας, συγκριτικά με τον χειροκίνητο εντοπισμό του. Τούτο, επέτρεψε την εκτέλεση σημαντικού πλήθους δοκιμών στις ελεγχόμενες συνθήκες του εργαστηρίου, απομονώνοντας συγκεκριμένες κάθε φορά παραμέτρους για τον προσδιορισμό της επίδρασής τους. Αν και το φαινόμενο εξελίσσεται στον τριδιάστατο χώρο, μέχρι πρόσφατα σπανίως λαμβανόταν υπόψη η τρίτη διάσταση στις σχετικές έρευνες, αλλά και στα λογισμικά προσομοίωσης. Στην παρούσα έρευνα, εφαρμόσθηκαν στερεοφωτογραμμετρικές μέθοδοι στην επεξεργασία των καταγραφών, επιτρέποντας την ανακατασκευή της τροχιάς στον χώρο και την εξέταση της εκτροπής του τεμάχους εξαιτίας της κρούσης.Στο εργαστήριο πραγματοποιήθηκαν περίπου 3000 δοκιμές και εξετάστηκε η επίδραση που ασκούν στην διαγραφόμενη τροχιά οι φυσικές και οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών καθώς και τα χαρακτηριστικά της κίνησης πριν την κρούση. Όσον αφορά στο τέμαχος, εξετάστηκε η επίδραση της μάζας, του σχήματος της ταχύτητας και της γωνίας πρόσκρουσης. Για τις επιφάνειες πρόσκρουσης εξετάσθηκε η επίδραση της τραχύτητας, της αποσάθρωσης, της επικάλυψης με εδαφικό υλικό και της διαφοροποίησης του τύπου του υλικού σε σχέση με αυτό του τεμάχους. Επίσης διερευνήθηκε η επίδραση του προσανατολισμού της επιφάνειας πρόσκρουσης σε σχέση με την διεύθυνση της τροχιάς του πίπτοντος τεμάχους.Στο πεδίο οι δοκιμές έγιναν σε 3 φάσεις, όπου εκτελεστήκαν συνολικά περίπου 300 δοκιμές. Σκοπός ήταν να εξετασθεί η δυνατότητα αναγωγής των συμπερασμάτων της εκτενούς εργαστηριακής διερεύνησης στην πραγματική κλίμακα του φαινομένου. Έτσι, οι δοκιμές αυτές πραγματοποιήθηκαν αναπαράγοντας, όσο ήταν εφικτό, τις συνθήκες του εργαστηρίου στην ύπαιθρο. Τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας είναι εν γένει σε συμφωνία με τα αναφερόμενα στην σχετική βιβλιογραφία. Ωστόσο, δεδομένου του πλήθους των δοκιμών και των παραμέτρων που διερευνήθηκαν, προκύπτει η μεταξύ τους αλληλεπίδραση. Έτσι, συμπληρώνεται, ή σε ορισμένες περιπτώσεις αναθεωρείται, η υφιστάμενη γνώση αναφορικά με τις κρίσιμες παραμέτρους και τον τρόπο που επηρεάζουν την απόκριση του τεμάχους. Επίσης, προτείνονται νέες μέθοδοι για την εκτίμηση της διαγραφόμενης τροχιάς.Πιο συγκεκριμένα, διατυπώνεται μια συσχέτιση για την εκτίμηση του καθέτου συντελεστή αναπήδησης που εξαρτάται από την σκληρότητα του υλικού και την ορμή του τεμάχους κατά την πρόσκρουση για την απλή περίπτωση της ελεύθερης πτώσης τεμαχών σφαιρικού σχήματος. Οι επιδράσεις του σχήματος και της γωνίας πρόσκρουσης εισάγονται στην εν λόγω σχέση, μέσω διορθωτικών συντελεστών, επιτρέποντας την γενίκευσή της ώστε να εφαρμόζεται στην συνήθη περίπτωση της κεκλιμένης κρούσης ακανόνιστου τεμάχους. Επίσης, καταρτίζεται μια μεθοδολογία, βάσει των χαρακτηριστικών της πρόσκρουσης, για τον προσδιορισμό της διακύμανσης του καθέτου συντελεστή και της γωνίας αναπήδησης, από τα οποία και μπορεί να εκτιμηθεί με ακρίβεια η διαγραφόμενη τροχιά. Τέλος, προτείνεται μια σχέση για την εκτίμηση του εύρους της εκτροπής, εξαιτίας της κρούσης, που λαμβάνει υπόψη την διεύθυνση της τροχιάς πριν την κρούση, την φορά μεγίστης κλίσης και την κλίση της επιφάνειας πρόσκρουσης.Η κατάρτιση των παραπάνω συσχετίσεων και μεθοδολογιών έγινε με βάση τις εργαστηριακές δοκιμές και οι επιτόπου δοκιμές χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση της αξιοπιστίας τους. Δεδομένου ότι η απόκριση των τεμαχών στο πεδίο προσεγγίζεται αρκούντως ικανοποιητικά από τις προτεινόμενες σχέσεις, συμπεραίνεται πως η γενίκευσή τους στην πραγματική κλίμακα του φαινομένου είναι εφικτή, με αποτέλεσμα να αποτελούν χρήσιμα εργαλεία για τον ορθολογικότερο σχεδιασμό των μέτρων αντιμετώπισης των καταπτώσεων βραχωδών τεμαχών.