Ripropo Skaičiuoklė - D50 Akmenų Dydžio ir Tonažo Įrankis

Erozijos kontrolės skaldos skaičiuoklė

Skalda – tai palaidi akmenys, klojami ant šlaito, kanalo dugne arba pakrantėje siekiant sustabdyti eroziją. Erozijos kontrolės skaldos skaičiuoklė apskaičiuoja, kiek akmenų reikia projektui: reikiamą akmenų dydį, skaldos tūrį ir užsakomą tonų kiekį pagal projekto matmenis, šlaito kampą ir vandens tėkmės sąlygas.

Ką daro skalda

Erozija vyksta, kai tekantis vanduo nuplauna dirvožemio daleles nuo kranto, šlaito ar kanalo. Skalda su tuo kovoja padengdama dirvožemį sunkiais, kampuotais akmenimis. Akmenys susikabina ir leidžia vandeniui tekėti pro tarpus tarp jų, todėl sluoksnis sugeria tėkmės jėgą, o ne po juo esantis neapsaugotas dirvožemis.

Inžinieriai akmenų tvirtinimo sluoksnį apibūdina pagal jo D50 – medianinį akmens dydį. Pusė mišinio akmenų sveria daugiau nei D50 dydžio akmenys, o pusė – mažiau. D50 yra svarbesnis už didžiausią krūvos akmenį, nes skalda veikia kaip visuma: mažesni akmenys užpildo tarpus tarp didesnių, o būtent šis susikabinimas neleidžia visam sluoksniui nuslinkti ar būti nuplautam.

Skalda naudojama aplink pralaidų ištekėjimo angas, palei upelių krantus, po tiltų atramomis, kanalo išklojimui ir bangų veikiamose pakrantėse.

Kaip veikia skaičiuoklė

Skaičiuoklei reikalingi keturi įvesties duomenys: dengiamos vietos ilgis, plotis ir gylis (visi pėdomis), šlaito kampas (laipsniais) ir tėkmės sąlyga: maža, vidutinė arba didelė.

Tūris. Skaičiuoklė padaugina ilgį, plotį ir gylį, kad gautų kubines pėdas, tada padalija iš 27, kad perskaičiuotų į kubinius jardus – vienetą, kurį paprastai nurodo akmenų tiekėjai.

$\text{Tūris (yd}^3\text{)} = \frac{\text{Ilgis} \times \text{Plotis} \times \text{Gylis}}{27}$

D50 akmens dydis. Užuot prašiusi tikslaus vandens greičio, skaičiuoklė naudoja tris tėkmės intervalus, kurių kiekvienas susietas su baziniu akmens dydžiu:

Tada šis bazinis dydis pakoreguojamas pagal šlaito kampą. Ant šlaito esantį akmenį vietoje laiko mažesnė trintis nei ant lygaus paviršiaus, todėl statesniems šlaitams reikia didesnių akmenų. Skaičiuoklė taiko šlaito pataisos koeficientą K1:

$K_1 = \sqrt{1 - \frac{\sin^2(\theta)}{\sin^2(\phi)}}$

$D_{50} = \frac{\text{Bazė } D_{50}}{K_1}$

Čia θ yra naudotojo įvestas šlaito kampas, o φ – skaičiuoklėje naudojamas natūralaus byrėjimo kampas, lygus 40 laipsnių. Natūralus byrėjimo kampas yra didžiausias kampas, kuriuo supilta skalda natūraliai išlieka vietoje. Ant lygaus paviršiaus (θ = 0°) K1 lygus 1, todėl D50 lygus baziniam dydžiui. Šlaito kampui artėjant prie 40°, K1 artėja prie nulio, o reikiamas D50 neribotai didėja.

Esant 40° ar statesniam šlaitui, sprendinio nėra. Tokiu atveju skaičiuoklė paslepia akmens dydį ir skaldos klasę, o jų vietoje rodo įspėjimą: joks akmuo, kad ir koks didelis, neišsilaikys tokiame stačiame šlaite, todėl vietoj palaidos skaldos reikia konstrukcinio sprendimo, pavyzdžiui, betoninio šlaito sutvirtinimo arba gabioninės sienelės. Tūris ir tonų kiekis vis tiek pateikiami, nes nė vienas iš jų nepriklauso nuo akmens dydžio.

K1 yra šoninio šlaito korekcijos koeficientas, naudojamas JAV kariuomenės inžinierių korpuso vadove EM 1110-2-1601 ir Gamtos išteklių apsaugos tarnybos Nacionaliniame inžinerijos vadove, 654 dalyje, techniniame priede 14C. Jis kildinamas iš Lane'o 1955 m. paskelbtos traukos jėgos analizės: ant šoninio šlaito esančiam akmeniui išjudinti reikia mažesnės jėgos nei ant lygaus dugno esančiam akmeniui, todėl akmuo turi būti didesnis koeficientu 1/K1. TS14C tą patį koeficientą pateikia pagal šlaito santykį, pavyzdžiui, 0,87 esant 3H:1 V (18,4°), 0,72 esant 2H:1 V (26,6°) ir 0,52 esant 1,5H:1 V (33,7°).

Akmenų dydžio klasė. Skaičiuoklė suskirsto D50 rezultatą į vieną iš penkių pavadintų klasių:

Tonų kiekis. Skaičiuoklė perskaičiuoja tūrį į svorį, naudodama fiksuotą paklotos skaldos tankį – 1,5 tonos (1,36 t) kubiniam jardui, nurodytą FHWA hidraulinės inžinerijos aplinkraštyje 15. Šis tankis nesikeičia priklausomai nuo akmenų dydžio. Didesni akmenys palieka didesnius tarpus tarp jų, todėl kubinis jardas stambios skaldos ir kubinis jardas smulkios skaldos, ją paklojus, sveria maždaug tiek pat. (Lauko matavimai svyruoja maždaug nuo 1,2 iki 1,7 tonų kubiniam jardui, priklausomai nuo granuliometrinės sudėties ir kaip tankiai skalda supilta; skaičiuoklė naudoja vieną vidutinę reikšmę – 1,5.)

$\text{Tonų kiekis} = \text{Tūris (yd}^3\text{)} \times 1.5$

Išspręstas pavyzdys

Tarkime, kad upelio kranto apsaugos vieta yra 50 pėdų (15 m) ilgio, 20 pėdų (6,1 m) pločio, skaldos sluoksnio gylis – 2 pėdos, šlaitas – 25°, o tėkmė – vidutinė (5–10 pėdų/s).

Tūris:

$\frac{50 \times 20 \times 2}{27} = \frac{2000}{27} \approx 74.1 \text{ yd}^3$

D50:

$K_1 = \sqrt{1 - \frac{\sin^2(25^\circ)}{\sin^2(40^\circ)}} = \sqrt{1 - 0.4323} \approx 0.7535$

$D_{50} = \frac{9}{0.7535} \approx 11.9 \text{ coliai}$

Tai patenka į 8–12 colių intervalą, todėl skaičiuoklė pateikia III klasę – stambią skaldą.

Tonų kiekis:

$74.1 \times 1.5 \approx 111.1 \text{ tonos}$

Šiam projektui skaičiuoklė pateiktų maždaug 11,9 colio D50 akmenis, 74,1 kubinio jardo (56,7 m³) skaldos ir 111,1 tonų (101 t) akmenų.

Įrengimo rekomendacijos

Be skaitinių rezultatų, skaičiuoklė pateikia pagal įvesties duomenis kintančias įrengimo pastabas. Kiekviename rezultate rekomenduojama po skalda patiesti geotekstilę, kad dirvožemis nebūtų išplautas pro tarpus, o akmenis išdėstyti atsitiktine tvarka, kad jie tarpusavyje susikabintų, o ne kloti tvarkingomis eilėmis. Statesniems nei 30° šlaitams rekomenduojama naudoti mechaninį tvirtinimą arba terasavimą ir šlaitą įrengti nuo apačios į viršų, kad statybos metu akmenys nenuslinktų. Didelės tėkmės vietose papildomai pateikiama pastaba apie šlaito papėdės apsaugą. Inžinerijos rekomendacijose kartojama ir skaičiuoklės pastabose atsispindinti bendra taisyklė yra tokia: skaldos sluoksnis turi būti bent 1,5 karto storesnis už D50 dydį, kad akmenys persidengtų, o ne gulėtų atskiru viengubu sluoksniu.

Dažnai užduodami klausimai

Kas yra D50 nustatant skaldos dydį? D50 yra medianinis akmenų dydis skaldos partijoje: pusė akmenų pagal svorį yra didesni, o pusė – mažesni. Inžinieriai nurodo D50, o ne didžiausio akmens dydį, nes skalda veikia kaip tarpusavyje susikabinusi masė, o ne kaip pavieniai akmenys.

Kokią D50 formulę naudoja ši skaičiuoklė? Ji pradeda nuo su tėkmės sąlyga susieto bazinio akmens dydžio (6 coliai esant mažai tėkmei, 9 esant vidutinei ir 12 esant didelei), tada dalija jį iš šlaito pataisos koeficiento K1 = √(1 − sin²θ / sin²40°), kur θ yra šlaito kampas. Statesniuose šlaituose K1 yra mažesnis, todėl reikiamas D50 yra didesnis.

Kodėl skaičiuoklė atsisako pateikti akmens dydį stačiuose šlaituose? Kai šlaito kampas pasiekia 40°, t. y. skaičiuoklėje naudojamą supiltos skaldos natūralų byrėjimo kampą, K1 tampa lygus nuliui, o formulė neturi sprendinio. Pavienis akmuo ant tokio šlaito savaime neišsilaiko, kad ir koks būtų jo dydis. Skaičiuoklė akmens dydį ir skaldos klasę pakeičia įspėjimu, tačiau vis tiek pateikia tūrį ir tonų kiekį, kurie nuo akmens dydžio nepriklauso. Tokiam stačiam šlaitui reikia atraminės konstrukcijos, o ne skaldos sluoksnio.

Kaip skaičiuoklė perskaičiuoja tūrį į tonų kiekį? Ji padaugina tūrį kubiniais jardais iš fiksuoto paklotos skaldos tankio – 1,5 tonos (1,36 t) kubiniam jardui. Skaičiuoklėje šis tankis yra vienodas visiems akmenų dydžiams; didėjant D50 reikšmėms jis nedidėja.

Ar skaičiuoklė taiko saugos koeficientą rezultatams? Ne. Tūrio, D50 ir tonų kiekio reikšmės yra neapdoroti skaičiuoklės rezultatai be įtaisyto saugos rezervo. Projektuotojai paprastai prie bazinio skaičiavimo prideda savo rezervą, kad atsižvelgtų į tėkmės įverčių ir statybos darbų skirtumus, tačiau ši skaičiuoklė to automatiškai nedaro.

Kuo skiriasi „riprap“ ir „rip rap“? Niekuo. Abu rašybos variantai reiškia tą pačią medžiagą – erozijai kontroliuoti klojamus kampuotus akmenis. „Riprap“, rašomas vienu žodžiu, yra daugumoje inžinerinių specifikacijų ir vyriausybinių leidinių vartojamas rašybos variantas.