Διερεύνηση των γεωτεχνικών παραμέτρων που ελέγχουν τις καταπτώσεις βράχων
Authors: Αστερίου Παύλος 
Published: September 2021

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.