Fachbeitrag: Rahmenwerk zur optimierten Gestaltung geokunststoffbewehrter Steinschlagschutzdämme, Teil 2

Von Pietro Rimoldi, unabhängiger Bauingenieurberater, und Nicola Brusa, unabhängiger Bauingenieur bei Tailor Engineering

Der kritischste und am wenigsten entwickelte Teil des Entwurfsverfahrens betrifft die dynamische Analyse der Entwurfsauswirkungen mit der Bewertung der Eindringtiefe auf der Hangseite und der Extrusionslänge auf der Talseite.

Unter Bezugnahme auf die vorherigen Abschnitte über die verfügbaren Tests im Originalmaßstab, numerische Modelle und bestehende (schlechte) Entwurfsmethoden (GE Januar/Februar 2023) schlagen die Autoren den folgenden Rahmen für den optimierten Entwurf von Steinschlagschutzdämmen aus verstärktem Boden (RS-RPEs) vor ) durch die dynamische Wirkungsmodellierung.

Der Rahmen basiert auf den folgenden Beweisen:

Solche Beweise führen zu den folgenden rationalen Annahmen:

E0 = ½ Vm · (γm / g) · vb2 (1)

Dabei ist Vm das Volumen des Felsbrockens (entweder als Kugel mit Durchmesser D oder als Würfel mit der Größe D angenommen), γm ist das Einheitsgewicht des Felsbrockens, vb ist die geplante Aufprallgeschwindigkeit des Felsbrockens und g ist die Erdbeschleunigung .

Für die komprimierte Zone an der Oberlaufseite werden folgende Annahmen getroffen:

Die Werte des Lastverteilungswinkels α und des Verkleidungskoeffizienten Cg sollten anhand der Ergebnisse von Aufprallversuchen im Originalmaßstab an RS-RPE mit ähnlicher Konfiguration wie der betrachteten ermittelt werden.

Eine andere Möglichkeit, α und Cg festzulegen, besteht darin, eine Rückrechnung einer bekannten Auswirkung auf das spezifische betrachtete System durchzuführen. Dabei wird der hier vorgestellte Rahmen verwendet, bei dem die Parameter durch Versuch und Irrtum ausgehend von realistischen Anfangswerten geändert werden.

Wenn keine spezifischen Tests im Originalmaßstab oder bekannte Aufprallereignisse verfügbar sind, werden die Standardwerte in den Tabellen 1 und 2 vorgeschlagen: In Tabelle 1 variiert der Lastverteilungswinkel α in Abhängigkeit von der Bewehrungsanordnung (unverstärktes RPE, RS-RPE mit Querbewehrung). nur oder mit Quer- und Längsbewehrung), von der Anzahl NG der Bewehrungsschichten innerhalb der Höhe D des Diffusionskegels (siehe Abbildung 10 (a)) und von der Art der Bewehrung (mit offenen Maschen, die eine Bodenverzahnung wie bei Geogittern ermöglichen). und Stahldrahtgeflechte oder ohne offene Maschen wie gewebte Geotextilien oder Geostreifen). In Tabelle 2 variiert der Belagkoeffizient Cg als Funktion der Dämpfungskapazität des Belagsystems, wobei für das einfache umlaufende Belagsystem Cg = 1,0 angenommen wird.

Hinweis: Wenn experimentelle Belege für den Wert des Spreizwinkels α oder für die Werte des Verblendkoeffizienten Cf vorliegen, können die Standardwerte in den Tabellen 1 und 2 geändert werden.

Unter Berücksichtigung der zuvor aufgeführten Annahmen kann die Eindringtiefe auf der Oberlaufseite nach der von Carotti et al. vorgestellten Methode berechnet werden. (2000), basierend auf der Theorie des völlig anelastischen Stoßes, durch das Modell der konzentrierten Masse, das aus einem 1-DOF-Oszillator (ein Freiheitsgrad) besteht, der durch einen viskosen Dämpfer und eine Feder gekennzeichnet ist (Abbildung 12), die eine Verformung erfährt Zyklus mit Kreisfrequenz, ω. Die Gesamtmasse m des 1-DOF-Oszillators ist die Masse ms des im Kegel enthaltenen Bodens, wie zuvor identifiziert (siehe Abbildung 10 (a) und (b)), plus die Masse des Felsbrockens mm. Die Massen ms und mm sind gleich den jeweiligen Gewichten Ws und Wm dividiert durch die Erdbeschleunigung g. Die Gleichungen zur Berechnung der durch Bodenverformung auf der Bergseite absorbierten Energie Ep und der übertragenen Energie Es (die die Bergab-Extrusion erzeugt), wie in Abbildung 10 (a) dargestellt, lauten wie folgt:

E0 = Ep + Es = Ep + E0 · Es / E0 (2)

Es / E0 = mm / (mm + ms) = Wm / (Wm + Ws) (3)

Während es sich bei der Gewichtung Wm um Eingabedaten aus der Risikoanalyse handelt, kann die Gewichtung Ws leicht aus der Geometrie des Problems berechnet werden (siehe Abbildung 10 (a) und (b)).

Nach diesen Annahmen hängen die Parameter des äquivalenten 1-DOF-Oszillators von der Dammgeometrie, den geotechnischen Eigenschaften der Dammfüllung, der Art, den Eigenschaften und der Anordnung (nämlich der Anzahl und dem vertikalen Abstand der Bewehrungsschichten) der Bewehrung ab. und die Art der Bergaufrichtung.

Unter Berücksichtigung der viskosen Arbeit des äquivalenten 1-DOF-Oszillators während eines Verformungszyklus ist es möglich, die maximale Verschiebung des 1-DOF-Oszillators zu berechnen, die der Eindringtiefe Lp entspricht:

Ep = ¼ (π · ω · Cs · Lp2) (4)

Die Kreisfrequenz ω berechnet sich zu:

ω = (Ktot / mtot)0.5 = [g · (Ks+ Kg)/(Wm + Ws)]0.5 (5)

Der Deponierungskoeffizient des Bodens Cs kann aus dem Deponierungsverhältnis ζ des Bodens ermittelt werden:

Cs = 2 · ζ · (Ktot · Ws / g)0,5 (6)

wobei ζ in diesem Fall eines einzelnen dynamischen Zyklus und großer Dehnungen im Bereich von 0,15 ÷ 0,20 für körnigen Boden angenommen werden kann, während ζ angenommen werden kann, wenn das Dämpfungssystem auf der Bergseite Sand-Gummi- oder Kies-Gummi-Mischungen umfasst im Bereich 0,20 ÷ 0,30.

Diese Annahmen zeigen leicht die Wirkung des Bergaufdämpfungssystems.

Das 1-DOF-Oszillatormodell ermöglicht eine Berechnung des Teils Ep der Aufprallenergie Eo, der dissipiert wird, um den Felsbrocken durch Verformung zu stoppen, während davon ausgegangen wird, dass sich die Restenergie Es stromabwärts der Eindringtiefe ausbreitet und erzeugt gespannte Zone, die die Extrusion auf der Talseite der Böschung erzeugt (siehe Abbildung 10 (a))

Für den Bereich zwischen der Eindringtiefe und der stromabwärtigen Fläche werden folgende rationale Annahmen getroffen:

τds = fds · σv · tanφs (7)

Dabei ist fds der direkte Scherfaktor zur Berücksichtigung der Wirkung der Erstablösungsreibung unter schnell wirkenden Lasten, σv die vertikale Spannung auf der betrachteten Oberfläche und φs der Reibungswinkel der Füllung.

τpo = 2 · fpo · σv · tanφs (8)

Dabei ist fpo der Auszugsfaktor für die spezifische Bewehrung mit der spezifischen Füllung, σv die vertikale Spannung auf der betrachteten Oberfläche und φs der Reibungswinkel der Füllung. Die Gesamtauszugskraft Fpo ist offensichtlich die Summe der Auszugskräfte aller Bewehrungen innerhalb der Höhe D des Diffusionskegels.

Es = (St + Sb + Fpo) · Lv (9)

In Anlehnung an den oben beschriebenen Rahmen ermöglicht die Wirkungsanalyse die Festlegung der erforderlichen Geometrie der Böschung (siehe Abbildung 10 (a)), wie z. B. die Höhe H, die Kammbreite Lu und die Böschungswinkel auf der Bergseite βm , und auf der Talseite βv ; und die erforderliche Bewehrungsanordnung (Art, Festigkeit, vertikaler Abstand in Quer- und Längsrichtung) unter Berücksichtigung der Grenzwertziele der Gebrauchstauglichkeit (SLS) in Abschnitt 5, Punkt 7 (GE Januar/Februar 2023).

Sobald diese Geometrie und Bewehrungsanordnung mit der dynamischen Analyse ermittelt wurde, sollten sie auf innere Stabilität, äußere und globale Stabilität unter dynamischen Bedingungen überprüft werden (siehe Abschnitt 5, Punkt 8 in der vorherigen Ausgabe), wobei die zufällige Belastung durch die Aufprallkraft als Äquivalent zu berücksichtigen ist statische Kraft Fimp (kN), die horizontal im Aufprallzentrum wirkt (Abbildung 13), die als Summe der äquivalenten Eindringkraft Fp(kN) und der äquivalenten Extrusionskraft Fv(kN) berechnet werden kann. einfach als Energie/Bewegung ausgewertet:

Fimp = Fp + Fv = (Ep / Lp) + (Es / Lv) (10)

Das vollständige Entwurfsverfahren ist in Anhang 1 zusammengefasst.

Das schrittweise Vorgehen bei der dynamischen Analyse wird im Beispiel in Anhang 2 veranschaulicht.

Ein neues Entwurfsverfahren für RS-RPEs wurde beschrieben.

Die Analyse verfügbarer groß angelegter Aufpralltests, numerischer Analysen und Designstandards ermöglichte die Entwicklung eines optimierten und rationalen Rahmens für die dynamische Analyse von RS-RPE unter Gesteinseinschlägen.

Das vorgeschlagene Framework ermöglicht die Berechnung der Eindringtiefe und der Extrusionslänge, die durch den Aufprall des Designblocks mit seiner Masse, Geschwindigkeit, Sprunghöhe und kinetischen Energie auf eine gegebene Anordnung des RS-RPE verursacht werden.

Durch die Verwendung der vorgeschlagenen Methode kann der Planer schnell alle Eigenschaften des RS-RPE festlegen, einschließlich der Geometrie, des Verkleidungssystems auf der Bergseite, der Bewehrungseigenschaften und der vertikalen Verteilung, um alle Tragfähigkeitsgrenzzustände (ULS) einzuhalten. Bedingungen (Einsturz der Struktur) und SLS-Bedingungen (Verformungen sollten keine Auswirkungen auf andere Strukturen haben und eine einfache Wiederherstellung und Reparatur des RS-RPE ermöglichen).

Darüber hinaus konnte der Planer auch den Nutzen prüfen, der sich aus der Einbeziehung von Längsverstärkungen aus Geokunststoff und eines Dämpfungssystems an der Böschungsseite ergibt.

Nach Kenntnis der Autoren ist das vorgeschlagene Framework derzeit die einzige Entwurfsmethode für RS-RPEs, die alle Parameter berücksichtigt, die zum Penetrations- und Extrusionswiderstand beitragen. Darüber hinaus ist es die einzige Bemessungsmethode, die den Einsatz geosynthetischer Verstärkungen innerhalb von Steinschlagschutzdämmen klar definiert und rechtfertigt.

Carotti A, Peila D, Castiglia C, Rimoldi P (2000). Mathematische Modellierung von mit Geogittern verstärkten Böschungen, die starken Gesteinseinschlägen ausgesetzt sind. Proc., 2. Europäische Geokunststoffkonferenz, Bologna, Italien.

Anhang 1: RS-RPE – Design-Übersichtstabelle

Eine verstärkte Steinschlagdammanlage sollte unter folgenden Gesichtspunkten entworfen werden:

Stabilitätsanalysen

Anhang 2: Beispiel für RS-RPE-Design

Laden Sie Anhang 2 unten herunter.

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