Fachbeitrag: Rahmenwerk zur optimierten Gestaltung geokunststoffbewehrter Steinschlagschutzdämme, Teil 1

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

In diesem Fachartikel schlagen die Autoren einen Rahmen für die optimierte Entwurfsmethode von geosynthetisch verstärkten Steinschlagschutzdämmen im Boden (RS-RPE) vor.

Aufgrund der Variabilität der Geometrie, des Bodenfüllmaterials, der Böschungskonstruktion, verschiedener Bewehrungsoptionen, der Wechselwirkungen zwischen Boden und Bewehrung sowie des dynamischen Verhaltens des Bodens wurde bisher kein einheitliches Bemessungsverfahren entwickelt.

Derzeit sind die Bemessungsvorschriften bzw. Richtlinien für verstärkte Böschungen, die dynamischen Einwirkungen ausgesetzt sind, noch recht vage und basieren auf angenommenen Daten, die größtenteils von außerhalb des geotechnischen Bereichs stammen. Es gibt nicht viele spezifische Forschungsergebnisse zu diesem Thema, und keine analytische Formulierung hat sich als solide genug erwiesen, um Designern eine einfache und praktikable Entwurfsmethode an die Hand zu geben.

Die Autoren glauben, dass dieses Papier eine umfassende Analyse der Phänomene liefern kann, die mit hochenergetischen Auswirkungen auf RS-RPE verbunden sind. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, einen Rahmen für die optimierte Gestaltung von RS-RPE zu entwickeln, der auf alle Situationen von praktischem Interesse im Hinblick auf Designauswirkungen, Böschungskonfigurationen und Verstärkungsoptionen anwendbar ist.

In diesem Artikel werden die Autoren weder die verschiedenen Arten von Einschlägen, Arten von Steinschlagereignissen, die Analyse von Flugbahnen noch die statistische Definition der Einschlagmasse, -geschwindigkeit und -energie beschreiben, sondern sich ausschließlich auf das Design des RS-RPE konzentrieren die gegebene kritische Wirkung.

In Teil 1 führt das Papier einen kritischen Überblick über die aktuellen Designmethoden und Richtlinien für RS-RPEs sowie eine Analyse der in der Literatur verfügbaren vollständigen Testforschungsprogramme ein, um die Mechanismen von Felseinschlägen auf ein RS-RPE zu identifizieren und der Beitrag des bergauf gerichteten Systems zur Leistung der Struktur. Das Papier stellt daher das vorgeschlagene Entwurfsverfahren vor, das durch Entwurfsflussdiagramme weiter veranschaulicht wird.

In der nächsten Ausgabe von GE, Teil 2, werden die Autoren eine originelle Entwurfsmethode für RS-RPE vorstellen, das energiereichen Gesteinseinschlägen ausgesetzt ist. Wenn man einen völlig unelastischen Aufprall betrachtet, ist es möglich, die Aufprallenergie zu berechnen, die die Druckverformung (den Krater) auf der Bergseite erzeugt, und die Restenergie, die sich zur Talseite ausbreitet und die Extrusion der Bergseite erzeugt; Es wird angenommen, dass sich die verbleibende Aufprallenergie in einem Diffusionskegel ausbreitet, der seitlich von der Aufprallfläche um einen Ausbreitungswinkel α abweicht, während der Kegel oben und unten durch die horizontalen Flächen begrenzt wird, die tangential zur Aufprallfläche verlaufen. Der vom Verkleidungssystem bereitgestellte Widerstand gegen die bergauf gerichtete Druckverformung wird durch einen empirischen Faktor berücksichtigt, der proportional zur Energieabsorptionsfähigkeit des Verkleidungssystems selbst ist. Der Widerstand gegen die Abwärtsextrusion wird durch den direkten Scherwiderstand des Bodens und durch den Auszugswiderstand der im Diffusionskegel enthaltenen Verstärkungsschichten bereitgestellt. Aus der Aufprallenergie und der Gesamtverformung (bergauf + bergab) lässt sich die horizontale Kraft berechnen, die durch den Aufprall auf die RS-RPE-Struktur entsteht; Mit dieser Kraft werden dann die globalen, externen und internen Stabilitätsbedingungen überprüft.

In Berg- und Hügelregionen sind Infrastruktur und Menschen oft durch schnelle und zerstörerische Steinschlagereignisse bedroht. Während fallende Felsbrocken extrem hohe Geschwindigkeiten von bis zu 30 m/s haben können, beinhalten diese Ereignisse ein komplexes Bewegungsmuster (z. B. Ablösung, Fall, Rollen, Rutschen und Aufprallen) eines oder mehrerer Felsfragmente (Peila et al., 2007).

Steinschlagschutzdämme (RPEs) haben sich als sichere Maßnahme zum Schutz von Menschen, Bauwerken und Infrastruktur vor Steinschlagereignissen erwiesen (Abbildung 1) und werden weltweit eingesetzt.

RPEs können als unbewehrte oder verstärkte Erdböschungen gebaut werden und für die Aufnahme mittlerer bis hoher Aufprallenergien (1.000 kJ bis 30.000 kJ) ausgelegt sein. Abhängig von ihren Eigenschaften könnten diese Strukturen mehreren Stößen standhalten.

RS-RPEs können je nach Standort in verschiedenen Formen und Größen konstruiert werden, wobei eine breite Palette interner Verstärkungselemente (Geogitter, Geostreifen, Geotextilien und Stahlgeflechte) und Verkleidungssysteme (Umwickelung, Gabionen, Geozellen, Sandsäcke, Reifen usw.) verwendet werden usw.), von denen einige eine dämpfende Wirkung auf die Hangwand haben.

Durch eine Kombination aus Verformung und innerer Verdichtung des Bodens sowie Zug- und Auszugswiderstand der Geokunststoffbewehrungen absorbieren RS-RPEs die Aufprallenergie der fallenden Felsblöcke.

Laut Peila et al. (2002) sind verstärkte Böschungen die am besten geeignete Lösung in den Bereichen, in denen erwartet wird, dass die fallenden Blöcke ein Volumen oder eine Geschwindigkeit haben, die groß genug ist, um den maximalen Widerstand traditioneller Drahtgeflecht-Felsschutzbarrieren zu überwinden, oder wenn es um wichtige und kritische Infrastrukturen wie Berge geht Autobahnen oder Eisenbahnen sowie besiedelte Gebiete.

RS-RPEs können im Vergleich zu RPEs wichtige Vorteile bieten:

Darüber hinaus ergeben sich bei der Verwendung von Geokunststoffen und insbesondere von Geogittern oder Geostreifen als Verstärkungselemente auch folgende Vorteile:

RS-RPEs werden seit mehr als 50 Jahren eingesetzt. Zahlreiche Forschungsarbeiten (siehe nächster Abschnitt) wurden seit den 1980er Jahren mit dem Ziel durchgeführt, ihre Konstruktion zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit der Struktur gegenüber Stößen. Einige dieser Forschungsergebnisse wurden von Ingenieurbüros übernommen, entweder durch nationale Empfehlungen oder durch Entwurfsmethoden. Insbesondere wurden einige Empfehlungen zur Definition der Strukturgeometrie (Strukturhöhe und Flächenneigung) veröffentlicht und in den letzten zwei Jahrzehnten wurden mehrere technische Methoden entwickelt, um die Fähigkeit von RS-RPE, Stößen standzuhalten, vorherzusagen.

Obwohl sich die Entwurfsmethoden für Böschungen zur Bewertung der Flugbahnkontrolle und der Aufprallstabilität verbessert haben, wurden eine Reihe von Einschränkungen festgestellt, wie unten erläutert.

Beim RS-RPE-Design sollten die dynamischen, komplexen Mechanismen berücksichtigt werden, die während des Aufpralls auftreten und von der Aufprallenergie, den Böschungsmaterialien und den geometrischen Eigenschaften, den Verstärkungseigenschaften und der Anordnung (dh Abstand und Längs-/Querverteilung) abhängen. Daher sind die verfügbaren Analysemodelle für diesen Zweck noch nicht zufriedenstellend. Sie liefern keine guten Schätzungen der Aufprallkräfte, der Blockdurchdringung und des Abwärtsextrudierens sowie der Energiedissipationskräfte.

In diesen Jahren wurden numerische Modelle und Finite-Elemente-Methoden (FEM)-Analysen entwickelt, aber diese Methoden erfordern eine Validierung, die meist auf kostspieligen Experimenten im realen Maßstab mit hohen Aufprallenergien basiert, um den tatsächlichen Aufprall zu simulieren. Numerische Modelle könnten in diesem Fall zu Forschungszwecken zusammen mit Experimenten im Originalmaßstab verwendet werden, um die analytischen Modelle für verschiedene Belastungsfälle zu verbessern.

Numerische Modelle können nützlich sein, um die Auswirkungen von Blockstößen auf RS-RPEs zu bewerten, auch wenn solche Modelle häufig die verstärkte Bodenböschung als Bodenmasse mit erhöhter Steifigkeit darstellen, ohne die Art und Leistung der Bewehrung zu berücksichtigen, die noch nicht berücksichtigt wird. Darüber hinaus erfordert eine zufriedenstellende Modellierung der Aufprallreaktion von RPEs die Definition konstitutiver Gesetze und mechanischer Eigenschaften, was angesichts der impulsiven und dynamischen Natur der Aufpralllasten im Allgemeinen schwierig ist.

Daher basierte das RPE-Design bisher auf vereinfachten Ansätzen, bei denen die Dynamik nur in geringem Maße berücksichtigt wurde. Darüber hinaus gibt es keine genauen Richtlinien für die Leistung von RS-RPEs.

Die umfassendsten weltweit verfügbaren Richtlinien für RPEs sind die italienische (UNI 11211-4:2018) und die österreichische (ONR 24810:2020), auf die auch von der New Zealand Geotechnical Society (NZGS)/Ministry of Business Innovation & Querverweis verwiesen wird. Beschäftigungsberatung (MBIE) (MBIE, 2016). In diesen Richtlinien können RPEs entweder mit Stahlelementen oder Geokunststoffen verstärkt werden und es wird in diesen Dokumenten deutlich, dass Verstärkungsschichten die Fähigkeit einer Böschung, Stößen standzuhalten, deutlich verbessern.

Die italienische Norm UNI 11211-4:2018 gibt Empfehlungen für die Eingabedaten, die für den Entwurf von RPEs erforderlich sind. Es wird jedoch nicht angegeben, wie die Eingabedaten zur Überprüfung der Strukturreaktion auf einen bestimmten Aufprall verwendet werden sollen. Es wird lediglich angegeben, wie die Blockdurchdringung mit der RPE-Querschnittsbreite verglichen werden soll. Darüber hinaus beziehen sich diese Richtlinien auf den Fall eines bestimmten einzelnen Blockvolumens in einem bestimmten Freigabegebiet. Das Design des RPE muss die Aufprallhöhe, die Blockgeschwindigkeit und die kinetische Energie des Designblocks, wie sie aus der statistischen Ausarbeitung von Flugbahnsimulationen erhalten werden, als 95 %-Perzentil der statistischen Verteilung dieser Parameter definieren. Der Standard empfiehlt, alle Blöcke aus einem bestimmten Release-Szenario zu stoppen. Die Haupteinschränkung in dieser Norm besteht darin, dass keine Angaben zur RPE-Auslegung im Hinblick auf den Blockaufprall gemacht werden.

Die derzeit verfügbaren Analysemethoden, die im Laufe der Jahre entwickelt wurden, basieren auf der Blockdurchdringung oder der Aufprallkraft, um Konstrukteuren benutzerfreundliche Werkzeuge an die Hand zu geben. Ihre Anwendbarkeit kann jedoch aufgrund der Unsicherheit, die mit ihren Annahmen und Berechnungen verbunden ist, die nicht unbedingt einen Bezug zur Geotechnik oder Felsmechanik haben, eingeschränkt sein.

Wie von Lambert & Kister (2017) erwähnt:

Darüber hinaus wurden durch den Vergleich der experimentellen Daten und der mit den verfügbaren Analysemethoden und mit den verfügbaren numerischen Modellen erhaltenen Ergebnisse die folgenden Hauptergebnisse erzielt (Peila et al., 2007):

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die analytische und theoretische Bewertung der Auswirkungen des Aufpralls von Blöcken mit hoher kinetischer Energie auf eine befestigte Bodenböschung aufgrund des plastischen Verhaltens des Bodens und der großen Verformungen, die während des dynamischen Ereignisses auftreten, sehr schwierig ist.

Historisch gesehen basierte der Entwurf eines RS-RPE auf Berechnungen, die aus Tests über die Auswirkungen des Aufpralls eines Projektils auf die Böschung oder aus Studien über den Aufprall fallender Blöcke auf mit einem Bodenpolster bedeckte Felsschuppen abgeleitet wurden. Es wurde nur eine begrenzte Anzahl vollständiger Tests durchgeführt (siehe nächster Abschnitt), um das Verhalten eines RS-RPE unter den realen Bedingungen des Aufpralls eines Felsblocks vollständig zu verstehen.

Da RS-RPEs im Allgemeinen trapezförmige Querschnitte mit einer Dicke von 3 m bis 8 m im Zentrum des Aufpralls haben, normalerweise aus reibungsfreiem Boden bestehen und mit mehreren Schichten Geokunststoff mit Zugfestigkeiten im Bereich von 50 kN/m bis 300 kN/m verstärkt sind, und Stößen von Blöcken unterschiedlicher Form (häufiger kubisch oder kugelförmig) ausgesetzt sind, die sich mit 1 m/s bis 30 m/s fortbewegen und Aufprallenergie in der Größenordnung von 1.000 kJ bis 30.000 kJ erzeugen, ist klar, dass dies bei den oben genannten Modellen der Fall ist auf echte RS-RPEs kaum anwendbar.

Die Ergebnisse umfassender Tests sind wichtig für das Verständnis des Verhaltens von RS-RPEs unter energiereichen Stößen von Gesteinsblöcken, wie unten erläutert.

Peila et al. (2002) führten groß angelegte Tests mit Einschlägen durch, die durch kubische Betonblöcke mit glatten Kanten erzeugt wurden, die 5 bis 10 t wogen und am Aufprallpunkt eine Geschwindigkeit von etwa 31,7 m/s und eine kinetische Energie von bis zu 4.354 kJ aufwiesen. Um das Verständnis der dynamischen Phänomene zu verbessern, wurden FEM-Modelle der Aufprallversuche entwickelt.

Der Aufprall auf das RS-RPE, das in Abbildung 2(a) links dargestellt ist und mit extrudierten Geogittern und umlaufender Verkleidung verstärkt ist, erzeugte am Hang einen Krater mit einer maximalen Tiefe von etwa 1 m, während auf der Talseite eine große Verschiebung erfolgte von etwa 0,9 m beobachtet. Die maximal gemessene Verschiebung auf der Talseite wurde durch die Bewehrungen der beiden am Aufprall beteiligten Bewehrungslagen konzentriert bzw. begrenzt. Nach dem Test wurde die verstärkte Böschung ausgehoben und ein Spannungsriss beobachtet (Abbildung 2(b)); Dieser Spannungsriss befand sich 0,6 m unter der Oberseite und breitete sich dann nach innen aus, wobei er fast der Form des Felsbrockens folgte. Der Spannungsriss war etwa 140 mm breit. Durch den Spannungsriss wurde die Bodenmasse praktisch in zwei Teile geteilt.

Abbildung 2 (a) (oben) Querschnitte des getesteten RS-RPE; Abbildung 2 (b) (unten) der Spannungsriss, wie er nach dem ersten Test beobachtet wurde (aus Peila et al., 2002). Durch den Spannungsriss wurde die Bodenmasse praktisch in zwei Teile geteilt.

Nach den beiden anderen Aufpralltests, bei denen jeweils etwa 4.300 kJ entwickelt wurden, zeigte sich, dass eine solche Barriere bis zu drei Hochenergie-Felsbrocken aufhalten kann, bevor sie einstürzen. Der Einsturz war auf das Versagen der Verstärkungsschichten und den Verlust der Verdichtung im Bodenmedium zurückzuführen.

Ein weiterer Aufpralltest wurde durchgeführt, um das Verhalten einer steilen, unbewehrten Böschung zu bewerten, die die gleiche Form und Geometrie wie die verstärkte Böschung hatte. Die gesamte Struktur stürzte unmittelbar nach dem Aufprall ein, doch der Block wurde von der Böschung aufgehalten und stoppte seinen Flug, nachdem er etwa 1,5 m in die Vorderseite eingedrungen war. Eine Verformungsmessung auf der Talseite war aufgrund des Einsturzes der Schüttung nicht möglich. Es ist wichtig zu beachten, dass die unbewehrte Böschung entlang zweier Flächen senkrecht zur Ortsbrust versagte und es daher zu keiner seitlichen Ausbreitung der Aufpralllast kam.

Ein zusätzlicher Test wurde durchgeführt, um den Einfluss der Stahlgitterschalung (Abbildung 2(a) rechts) auf das globale Verhalten der Böschung zu bewerten. Nach dem Einschlag wurde ein Krater mit einer maximalen Tiefe von 0,9 m gemessen, während die Verformung an der Talseite Verschiebungen von etwa 1 m aufwies, was darauf zurückzuführen war, dass die Geogitter, die die Schichten drei und vier (von oben) umhüllten, herausgezogen wurden, was dies ermöglichte große Verformungen stattfinden.

Für die verstärkte Böschungskonstruktion wurde ein Test mit einer etwas schwächeren Bodenfüllung durchgeführt, um die Rolle der Bodenplastizität und -belastbarkeit in der Aufprall- und Nachaufprallphase zu bewerten. Der Felsbrocken erzeugte einen großen Krater mit einer maximalen Tiefe von etwa 2 m, der vier Bodenschichten umfasste. Talseitig wurde eine maximale Verschiebung von 0,8m gemessen.

Diese Tests zeigten deutlich, dass die Tiefe des Kraters am Hang und die Extrusion auf der Talseite bei gleicher Geometrie des RS-RPE von der Bewehrungseigenschaft und -anordnung, den Fülleigenschaften und der Art der Verkleidung am Hang abhängen . Die Tatsache, dass Geogitter während der Tests nicht brachen, bestätigt die Hypothese eines vollkommen elastischen Verhaltens der Bewehrung und einer erhöhten dynamischen Festigkeit und eines erhöhten Moduls unter Impulsbelastungen.

In der Literatur sind weitere Tests im Originalmaßstab verfügbar, und diese Veröffentlichungen bestätigen im Wesentlichen die obige Analyse und liefern gleichzeitig zusätzliche Ergebnisse in Bezug auf verschiedene Arten von Verkleidungssystemen am Hang des RS-RPE.

Yoshida und Nomura (wie von Yoshida, 1999) berichteten, führten neun Tests mit einer Aufprallenergie zwischen 58 kJ und 2.700 kJ an einem RS-RPE mit einem Verkleidungssystem einschließlich zweier Arten von mit Sand gefüllten Säcken durch (Abbildung 3). Diese Tests zeigten, dass ein Dämpfungssystem am Hang die Tiefe des Kraters verringern und die Wartung der Hangstruktur nach dem Aufprall vereinfachen kann; auch wenn die Extrusion an der Talseite durch ein solches Doppelbeutelsystem nur geringfügig reduziert wurde.

Abbildung 3. Von Yoshida und Nomura durchgeführte Tests an einem RS-RPE mit einem Verkleidungssystem, das zwei Arten von mit Sand gefüllten Säcken umfasst: (a) Skizze des Felsbrockenaufpralls auf das RS-RPE; (b) Querschnitt des RS-RPE, der das Verkleidungssystem zeigt (nach Yoshida, 1999).

Lambert et al. (2009) führten Tests an einer Struktur durch, die aus einer Sandwichwand bestand, die gegen einen verstärkten Erddamm gelehnt war (Abbildung 4). Die Gabionenkäfige bestanden aus einem sechseckigen Drahtgeflecht mit einer Maschenweite von 80 mm x 120 mm. Gabionenkäfige haben die Form eines Parallelepipeds und sind in drei oder zwei 1 m3 große Teile unterteilt. Bei den Füllmaterialien handelte es sich um grob- oder feinkörnige, nicht kohäsive Materialien. Letzterer bestand aus reinem Sand oder einer Mischung mit 30 Masse-% Altreifenanteil. Lambert et al. (2009) berichten, dass beim Aufprall die kinetische Energie des Felsbrockens über die Druckwelle auf die Böschung übertragen wird. Es hat sich gezeigt, dass sich die Kompressionswelle innerhalb eines Kegels zunehmend vom Aufprallpunkt auf die gesamte Struktur ausbreitet. Bei der Annäherung an die gegenüberliegende Seite der getroffenen Seite führte die Energiewelle zu einer verstärkten Bodenverdrängung. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die mechanischen Eigenschaften der Materialien in der Nähe der Vorderseite die Wechselwirkung zwischen Felsbrocken und Struktur und damit die Aufprallkraft bestimmen, was Auswirkungen auf die innerhalb der Struktur übertragenen Spannungen hat, während die Eigenschaften der gesamten Struktur ihre Reaktion und Überlebensfähigkeit bestimmen die Stoßbelastung. Lambert et al. (2009) fügten hinzu, dass relevante Entwurfsmethoden in der Lage sein sollten, die Wechselwirkung zwischen Felsbrocken, Struktur und Fassade sowie den sogenannten Stützeffekt des Rests der Struktur zu berücksichtigen.

Abbildung 4. Von Lambert et al. durchgeführte Tests. (2009) an einem RS-RPE mit einem Vorsatzsystem inklusive Gabionen, die mit groben und feinen Schüttungen gefüllt sind.

Maegawa et al. (2011) führten Steinschlagtests an Böschungen in Originalgröße durch, die mit Geogittern verstärkt und durch eine 800 mm dicke Polsterschicht aus Geozellen mit einer Zellenhöhe von 150 mm geschützt waren, gefüllt mit Schotter mit einem Durchmesser von 5 mm bis 13 mm (Abbildung 5). Bei einer Einschlagsenergie von 2,71 MJ hatte der Krater eine maximale Tiefe von 1.900 mm, während der maximale Vorsprung 441 mm betrug. Daher wird laut Maegawa et al. (2011) die Polsterschicht im Gegenzug für ihre Rolle als Absorber für die Böschung tatsächlich beschädigt, kann aber leicht wieder aufgebaut werden. Im Gegenteil, es ist nicht so einfach, die durch den direkten Einschlag eines Felsbrockens beschädigte Böschung zu reparieren. Daher ist eine Polsterschicht nicht nur wirksam beim Schutz von Böschungen, sondern auch bei der Reduzierung der Lebenszykluskosten.

Abbildung 5. Das von Maegawa et al. getestete RS-RPE. (2011), mit einem aus Geozellen bestehenden Verkleidungssystem: (a) (oben) Querschnitt, der das Geozellen-Verkleidungssystem zeigt; (b) (unten) Abmessungen der getesteten RS-RPEs

Green (2019) führte Tests durch, bei denen Aufprallenergien über ein rollendes Bogey mit einem kugelförmigen Aufprallkopf auf das RPE übertragen wurden. Der Aufprallkopf bestand aus einer mit Beton gefüllten, stahlverstärkten kugelförmigen Stahlkuppel mit einem Durchmesser von 1 m. Das getestete RPE (Abbildung 6) nutzte eine modifizierte Konfiguration von Ufermauerblöcken zusammen mit einer energieableitenden Bergaufschicht, die aus mit Sand und Steinen gefüllten Gabionenkörben bestand. Die Betonblöcke waren 2 x 1 x 1 m groß und hatten ein Gewicht von etwa 5.000 kg. Die Gabionenkörbe waren 2 x 0,5 x 0,5 m groß. Auch wenn es sich bei der getesteten Struktur um ein unverstärktes RPE handelt, ist dies interessant, da beide Flächen vertikal sind und es daher keine Variation des Querschnitts mit der Höhe gibt. Testergebnisse zeigten, dass die höheren oder niedrigeren vertikalen Spannungen auf der Gleitebene (die in jeder Höhe gleich sind) die Widerstandsscherspannungen erhöhen oder verringern, wenn der Aufprall näher an der Basis oder an der Oberseite erfolgt.

Daraus lässt sich schließen, dass horizontalen Verschiebungen durch direkte Scherung an der Ober- und Unterseite des Gleitkegels standgehalten wird, wenn keine Verstärkung vorhanden ist. Bei vorhandener Bewehrung wird horizontalen Verschiebungen durch Herausziehen der Bewehrungslagen innerhalb des Kegels entgegengewirkt. Sowohl bei direkter Scherung als auch bei Auszug nimmt der Widerstand ab, je näher der Aufprall oben liegt, da geringere Vertikalspannungen erzeugt werden. Daher entsteht der Widerstand gegen die Abwärtsextrusion bei fehlender Bewehrung durch direkte Scherung und bei verstärkter Böschung sowohl durch direkte Scherung als auch durch Herausziehen.

Abbildung 6. (a) (oben) Querschnitt einer modularen Steinschlagschutzwand; (b) (unten) Testwand A nach Test 3 (Gleiten, 750 kJ) (von Green, 2019)

Wie von Lambert & Kister (2017) berichtet, kann die Reaktion des RPE auf den Aufprall bis zum Zusammenbruch als ein Vier-Phasen-Prozess beschrieben werden, wie von Lambert und Bourrier (2013) vorgeschlagen (Abbildung 7).

Abbildung 7. Eine schematische 4-Phasen-Beschreibung der RPE-Reaktion auf den Aufprall bis zum Zusammenbruch (nach Lambert & Bourrier, 2013). Von links nach rechts: (a) Felseinschlag-Fußabdruck; (b) Die Energiewelle erzeugt eine Kompression in der Bodenmasse neben der Felseinschlagsfläche; (c) nach einer bestimmten Distanz bewirkt die Restenergie eine Beschleunigung der Bodenmasse über den Krater hinaus und eine horizontale Bewegung nach außen; (d) an der Grenze zwischen der komprimierten und der „gespannten“ Zone bilden sich Risse und die Bodenmasse wird in zwei Teile geteilt.

Es ist klar, dass das Verhalten der verschiedenen oben genannten Mechanismen von der Aufprallenergie im Verhältnis zur Fähigkeit der Böschung, Energie zu absorbieren, abhängt. Bei niedrigen Aufprallenergien sind die zum Stoppen des Blocks erforderliche Eindringtiefe und die in der Böschung erzeugten Spannungen gering. Die verbleibende Verformung der Bergabseite ist im Vergleich zur Blockeindringung gering. Die Aufprallenergie wird durch Verdichtung und Bodenzerkleinerung in der Umgebung des Aufprallbereichs abgebaut, während sich nur ein kleiner Teil durch elastische Wellen ausbreitet.

Bei höherer Aufprallenergie nehmen natürlich auch die Blockeindringung und die Belastung innerhalb der Böschung zu. Die Verschiebung der Bergwand nimmt zu, und bei schlanken Bauwerken tendiert die Verschiebung zunehmend zum Wert der Verschiebung der Bergwand. Und je dicker die Böschung, desto geringer ist die bergab gerichtete Verschiebung.

Es ist auch klar, dass dissipative Mechanismen durch Bodenverdichtung in der Nähe des Einschlagspunkts und durch Reibungsdissipation entlang der Scherebenen jenseits des Einschlagskraters auftreten.

Während des Aufprallvorgangs bleibt die Gesamtenergiedissipation durch Bodenverdichtung vorherrschend, mit einem geschätzten Anteil von etwa 75 % bis 80 % der kinetischen Energie des Blocks. Der Einfluss der mit der Druckreaktion, dem Reibungswinkel und der Masseneinheit verbundenen Parameter auf das Verhalten der gesamten Struktur hängt von der Aufprallenergie, den Abmessungen der Struktur und den Randbedingungen der Struktur ab. Dieser Einfluss nimmt mit der kinetischen Energie des Blocks zu.

Das Verhalten einer Böschung bei einem Steinschlagereignis hängt stark von der Aufprallhöhe ab. Je näher der Aufprall an der Kuppe liegt, desto höher ist die Eindringung, was sich nachteilig auf die Stabilität der Struktur auswirkt.

Verstärkungsschichten verbessern die Schlagfestigkeit einer Böschung deutlich. Solche Verstärkungsschichten aus Geogittern, Geostreifen oder Geotextilien verteilen die Stoßlast entlang der Böschungsachse. Die Aufpralllast wird somit auf die im Abstand befindlichen Bodenmassen auf beiden Seiten der Aufprallfläche verteilt. Im Aufprallbereich erhöht die dadurch entstehende begrenzende Wirkung der Verstärkungsschichten den Durchdringungswiderstand der Böschung. Wenn die Verstärkung außerdem auch die bergab liegende Seite des RPE betrifft, begrenzt die Schicht die Verschiebung dieser Seite und erhöht so die Fähigkeit, dem Aufprall standzuhalten.

Abschließend ist es wichtig zu beachten, dass alle Tests zeigen, dass die Verstärkung zu einer Vergrößerung des Lastverteilungswinkels führt.

Der vorgeschlagene Rahmen für die Gestaltung von RS-RPEs, der in den nächsten Abschnitten vorgestellt wird, steht im Einklang mit allen Beweisen für Mechanismen und Verhalten aus den groß angelegten Tests, wie oben erläutert.

Die Autoren schlagen vor, dass der Entwurf eines RS-RPE in folgenden Schritten durchgeführt werden sollte (siehe Abbildungen 8 und 9):

1. Führen Sie eine Risikoanalyse durch, um die Größe, Form und Masse des Designblocks zu definieren (Richtlinien finden Sie in ONR 24810 und UNI 11211).

2. Definieren Sie die Position des RS-RPE unter Berücksichtigung seiner Längsausdehnung und Höhe im Verhältnis zu den möglichen Flugbahnen der Designblöcke und der zu schützenden Objekte oder Infrastrukturen (Richtlinien finden Sie in ONR 24810 und UNI 11211).

3. Führen Sie eine statistische Berechnung der Blocktrajektorien durch, um die Blockgeschwindigkeit, die Sprunghöhe und die kinetische Energie am Aufprallpunkt mit dem RS-RPE zu definieren (spezielle Softwarepakete sind verfügbar, z. B. Rocscience Rocfall 3, Geo Stru Geo Rock 3D usw.)

4. Falls die Flugbahnen nicht mit der Böschungsposition und/oder -höhe übereinstimmen, gehen Sie zurück zu Punkt 2 und korrigieren Sie die Position und/oder Höhe des RS-RPE

5. Erstellen Sie auf der Grundlage der unter Punkt 3 berechneten Entwurfsauswirkungsdaten einen vorläufigen Entwurf des RS-RPE, einschließlich der Geometrie, Art und Anordnung der Bewehrung, Art der Füllung und des Verkleidungssystems

6. Führen Sie globale, externe und interne Stabilitätsanalysen unter Berücksichtigung des RS-RPE und des Hangs, auf dem es gebaut ist, unter statischen Bedingungen und, falls erforderlich, unter seismischen Bedingungen (vor jedem Aufprall) durch. Stellen Sie sicher, dass die Grenzzustände der Tragfähigkeit (ULS) nicht erreicht werden (es darf kein Einsturz der Struktur auftreten); Alle Sicherheitsfaktoren müssen größer sein als die in den geotechnischen Normen für ULS-Analysen unter statischen oder seismischen Bedingungen geforderten Mindestwerte.

7. Führen Sie dynamische Analysen der Designauswirkungen durch, mit der Bewertung der Eindringtiefe auf der Hangseite und der Extrusionslänge auf der Talseite, entsprechend dem im nächsten Abschnitt vorgestellten Rahmen. Stellen Sie sicher, dass die Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit (SLS) nicht erreicht werden (Verformungen sollten keine Auswirkungen auf andere Strukturen haben und eine einfache Sanierung und Reparatur des RS-RPE ermöglichen); Beachten Sie, dass für die Bemessung der Bewehrung nur die horizontale Komponente der Aufprallgeschwindigkeit relevant ist. Die folgenden SLS-Bedingungen sollten überprüft werden:

8. Führen Sie globale, externe und interne Stabilitätsanalysen unter Berücksichtigung des RS-RPE und des Hangs, auf dem es gebaut ist, unter den durch den Aufprall erzeugten dynamischen Kräften durch, die gemäß dem im nächsten Abschnitt vorgestellten Rahmen definiert werden können. Stellen Sie sicher, dass die ULS (Einsturz der Struktur) nicht erreicht wird. Alle Sicherheitsfaktoren müssen größer sein als die in den geotechnischen Normen für ULS-Analysen unter transienten/impulsiven Belastungsbedingungen geforderten Mindestwerte.

9. Wenn eine oder mehrere Analysen (ULS und/oder SLS) nicht verifiziert sind, wiederholen Sie das Verfahren ab Punkt 5 und ändern Sie das Design des RS-RPE durch Versuche und Irrtümer.

Beachten Sie, dass:

Bei der Erstellung des vorläufigen und endgültigen Entwurfs des RS-RPE sollte Folgendes berücksichtigt werden:

Abbildung 8: Flussdiagramm des Designprozesses für passive RPS (Rockfall Protection System) (geändert von MBIE, 2016). Befolgen Sie für den Entwurf des RS-RPE das Flussdiagramm in Abbildung 9.

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