Riprap Hesaplayıcı - D50 Taş Boyutu ve Tonaj Aracı

Riprap erozyon kontrolü hesaplayıcısı

Riprap, erozyonu önlemek için bir şevin, kanal tabanının veya kıyı şeridinin üzerine serilen gevşek kayadır. Riprap erozyon kontrolü hesaplayıcısı; projenin boyutlarına, şev açısına ve su akış koşuluna göre gereken taş boyutunu, kaya hacmini ve sipariş edilecek tonajı hesaplar.

Riprap ne işe yarar?

Erozyon, hareketli suyun bir kıyıdan, şevden veya kanaldan toprak parçacıklarını sürükleyip uzaklaştırmasıyla oluşur. Riprap, toprağı ağır ve köşeli kayalarla örterek buna karşı koyar. Kayalar birbirine kenetlenir ve su, aralarındaki boşluklardan geçer; böylece akışın kuvvetini alttaki çıplak toprak yerine bu tabaka karşılar.

Mühendisler bir riprap tabakasını, ortanca taş boyutu olan D50 değeriyle tanımlar. Karışımdaki taşların yarısı D50 boyutundan daha ağır, diğer yarısı ise daha hafiftir. Riprap yığının en büyük taşından çok D50 önemlidir; çünkü riprap bir bütün olarak çalışır: küçük taşlar büyük taşların arasındaki boşlukları doldurur ve tüm tabakanın kaymasını veya suyla sürüklenmesini önleyen şey bu kenetlenmedir.

Riprap; menfez çıkışlarının çevresinde, akarsu kıyıları boyunca, köprü ayaklarının altında, kanal kaplamalarında ve dalgalara açık kıyı şeritlerinde kullanılır.

Hesaplayıcı nasıl çalışır?

Hesaplayıcı dört girdi alır: kaplanacak alanın uzunluğu, genişliği ve derinliği (tümü fit cinsinden), şev açısı (derece cinsinden) ve düşük, orta veya yüksek olmak üzere bir akış koşulu.

Hacim. Hesaplayıcı, kübik fit cinsinden hacmi bulmak için uzunluk, genişlik ve derinliği çarpar, ardından taş tedarikçilerinin genellikle kullandığı birim olan kübik yardaya dönüştürmek için 27 değerine böler.

$\text{Hacim (yd}^3\text{)} = \frac{\text{Uzunluk} \times \text{Genişlik} \times \text{Derinlik}}{27}$

D50 taş boyutu. Hesaplayıcı, tam bir su hızı istemek yerine, her biri bir temel taş boyutuyla ilişkilendirilmiş üç akış aralığı kullanır:

Bu temel boyut daha sonra şev açısına göre ayarlanır. Şev üzerinde duran bir taşı yerinde tutan sürtünme, düz zemindeki bir taşa göre daha azdır; bu nedenle daha dik şevlerde daha büyük taşlar gerekir. Hesaplayıcı, K1 adlı bir şev düzeltme katsayısı uygular:

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

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

Burada θ, kullanıcı tarafından girilen şev açısıdır; φ ise hesaplayıcının kullandığı 40 derecelik doğal yığılma açısıdır. Yığılma açısı, dökülmüş kayanın doğal olarak yerinde kalabildiği en dik açıdır. Düz zeminde (θ = 0°) K1, 1 değerine eşittir; bu nedenle D50 temel boyuta eşit olur. Şev açısı 40° değerine yaklaştıkça K1 sıfıra yaklaşır ve gereken D50 sınırsız biçimde büyür.

40° veya daha dik şevlerde hiç çözüm yoktur. Hesaplayıcı bu durumda taş boyutunu ve kaya sınıfını gizleyerek yerlerine bir uyarı gösterir: ne kadar büyük olursa olsun hiçbir taş bu kadar dik bir şevde yerinde kalamaz; bu nedenle sahada gevşek kaya yerine beton kaplama veya gabion duvar gibi yapısal bir çözüm gerekir. Hacim ve tonaj yine bildirilir; çünkü bunların hiçbiri taş boyutuna bağlı değildir.

K1, U.S. Army Corps of Engineers'ın EM 1110-2-1601 numaralı kılavuzunda ve Natural Resources Conservation Service'in National Engineering Handbook, Part 654, Technical Supplement 14C belgesinde kullanılan yan şev düzeltme katsayısıdır. Bu katsayı, Lane tarafından 1955 yılında yayımlanan sürükleyici kuvvet analizinden gelir: yan şevde duran bir taşı yerinden çıkarmak, düz bir tabanda duran taşa göre daha az kuvvet gerektirir; bu nedenle taşın 1/K1 katsayısı kadar daha büyük olması gerekir. TS14C, aynı katsayıyı şev oranına göre tablolar; örneğin 0,87 değeri 3H:1 V (18,4°), 0,72 değeri 2H:1 V (26,6°) ve 0,52 değeri 1,5H:1 V (33,7°) için verilir.

Kaya boyutu sınıfı. Hesaplayıcı, D50 sonucunu adlandırılmış beş sınıftan birine ayırır:

Tonaj. Hesaplayıcı, hacmi, yerleştirilmiş sabit 1,5 ton (1,36 t)/kübik yarda yoğunluk kullanarak ağırlığa dönüştürür; bu, FHWA'nın Hydraulic Engineering Circular 15 belgesinde kullanılan değerdir. Bu yoğunluk taş boyutuna göre değişmez. Daha büyük kayaların parçaları arasındaki boşluklar daha geniştir; bu nedenle bir kübik yarda büyük riprap ile bir kübik yarda küçük riprap, yerleştirildikten sonra yaklaşık aynı ağırlığa sahiptir. (Arazideki ölçümler, tane dağılımına ve kayanın ne kadar sıkı paketlendiğine bağlı olarak kübik yarda başına yaklaşık 1,2 ile 1,7 ton arasında değişir; hesaplayıcı tek bir orta aralık değeri olan 1,5 değerini kullanır.)

$\text{Tonaj} = \text{Hacim (yd}^3\text{)} \times 1.5$

Çözümlü örnek

Uzunluğu 50 fit (15 m), genişliği 20 fit (6,1 m), riprap derinliği 2 fit (0,61 m), şev açısı 25° ve akış koşulu orta düzey (5–10 fit/s) olan bir akarsu kıyısı koruma alanını ele alalım.

Hacim:

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

D50:

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

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

Bu sonuç 8–12 inç aralığına girer; bu nedenle hesaplayıcı Sınıf III – Büyük Riprap sonucunu verir.

Tonaj:

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

Bu proje için hesaplayıcı yaklaşık 11,9 inç D50 taş, 74,1 kübik yarda (56,7 m³) ve 111,1 ton (101 t) kaya sonucu verir.

Kurulum kılavuzu

Hesaplayıcı, sayısal sonuçların yanında girdilere göre değişen kurulum notlarını da listeler. Her sonuçta, toprağın boşluklardan yukarı doğru yıkanıp taşınmasını önlemek için riprap tabakasının altına geotekstil keçe serilmesi ve taşların düzgün sıralar halinde dizilmek yerine rastgele, birbirine kenetlenen bir düzende yerleştirilmesi önerilir. 30° değerinden daha dik şevlerde, mekanik ankraj veya teraslama önerilir; ayrıca taşların yapım sırasında kaymaması için şevin aşağıdan yukarıya doğru oluşturulması gerekir. Yüksek akışlı sahalar için şev tabanında ayak koruması hakkında ek bir not verilir. Mühendislik kılavuzlarında tekrarlanan ve hesaplayıcının notlarına da yansıtılan genel kurala göre riprap tabakası, taşların tek bir tabaka halinde açıkta kalmak yerine üst üste gelmesi için en az D50 boyutunun 1,5 katı kalınlığında olmalıdır.

Sık sorulan sorular

Riprap boyutlandırmasında D50 nedir? D50, bir riprap yükündeki ortanca taş boyutudur: taşların ağırlıkça yarısı daha büyük, yarısı daha küçüktür. Mühendisler en büyük taş yerine D50 değerini belirtir; çünkü riprap tek tek kayalar olarak değil, birbirine kenetlenmiş bir kütle olarak işlev görür.

Bu hesaplayıcı D50 için hangi formülü kullanır? Hesaplayıcı, akış koşuluna bağlı bir temel taş boyutuyla başlar (düşük akış için 6 inç, orta akış için 9, yüksek akış için 12); ardından bunu K1 = √(1 − sin²θ / sin²40°) şev düzeltme katsayısına böler; burada θ şev açısıdır. Daha dik şevler daha küçük bir K1 ve dolayısıyla daha büyük bir D50 gerektirir.

Hesaplayıcı dik şevlerde neden taş boyutu vermeyi reddeder? Şev açısı 40° değerine ulaştığında, hesaplayıcının dökülmüş kaya için kullandığı doğal yığılma açısında K1 sıfır olur ve formülün çözümü kalmaz. Gevşek taş, boyutu ne olursa olsun bu açıda kendi başına yerinde duramaz. Hesaplayıcı taş boyutu ile kaya sınıfının yerine bir uyarı koyar ve taş boyutuna bağlı olmayan hacim ile tonajı yine bildirir. Bu kadar dik bir saha, riprap yerine yapısal bir istinat çözümü gerektirir.

Hesaplayıcı hacmi tonaja nasıl dönüştürür? Kübik yarda cinsinden hacmi, kübik yarda başına sabit 1,5 ton yerleştirilmiş yoğunlukla çarpar. Bu yoğunluk, hesaplayıcıdaki tüm taş boyutları için aynıdır; daha büyük D50 değerleriyle artmaz.

Hesaplayıcı sonuçlarına bir güvenlik katsayısı uygular mı? Hayır. Hacim, D50 ve tonaj değerleri, yerleşik bir güvenlik payı olmaksızın hesaplayıcının ham çıktılarıdır. Proje tasarımcıları, akış tahminlerindeki belirsizliği ve yapım farklılıklarını karşılamak için genellikle temel hesaplamaya kendi paylarını ekler; ancak bu hesaplayıcı bunu otomatik olarak yapmaz.

Riprap ile rip rap arasındaki fark nedir? Yoktur. Her iki yazım da aynı malzemeyi, erozyon kontrolü amacıyla yerleştirilen köşeli kayayı ifade eder. Bitişik yazılan “riprap”, mühendislik şartnamelerinin ve resmî yayınların çoğunda kullanılan yazımdır.