Máy Tính Riprap - Công Cụ Kích Thước Đá D50 & Khối Lượng

Công cụ tính kiểm soát xói mòn bằng đá hộc

Đá hộc chống xói (riprap) là đá rời được đặt trên mái dốc, đáy kênh hoặc bờ biển để ngăn xói mòn. Công cụ tính kiểm soát xói mòn bằng đá hộc xác định lượng đá cần cho một dự án: kích thước đá yêu cầu, thể tích đá và khối lượng cần đặt mua, dựa trên kích thước dự án, góc dốc và điều kiện dòng chảy.

Công dụng của đá hộc

Xói mòn xảy ra khi nước chảy cuốn các hạt đất khỏi bờ, mái dốc hoặc kênh. Đá hộc ngăn điều này bằng cách phủ đất bằng những viên đá nặng, góc cạnh. Các viên đá liên kết với nhau và cho nước chảy qua các khoảng trống, nhờ đó lớp đá hấp thụ lực của dòng chảy thay cho lớp đất trơ bên dưới.

Kỹ sư mô tả một lớp đá hộc bằng D50, tức kích thước trung vị của đá. Một nửa số đá trong hỗn hợp nặng hơn viên đá có kích thước D50 và một nửa nhẹ hơn. D50 quan trọng hơn viên đá lớn nhất trong đống, vì đá hộc hoạt động như một tập hợp: các viên nhỏ lấp đầy khoảng trống giữa các viên lớn, và sự liên kết đó giữ cho toàn bộ lớp đá không trượt hoặc bị nước cuốn đi.

Đá hộc thường được dùng quanh cửa ra cống, dọc bờ suối, dưới trụ cầu, trên lớp gia cố lòng kênh và ở những bờ biển chịu tác động của sóng.

Cách máy tính hoạt động

Công cụ tính sử dụng bốn đầu vào: chiều dài, chiều rộng và chiều sâu của khu vực cần phủ (đều tính bằng feet), góc dốc (tính bằng độ) và điều kiện dòng chảy: thấp, trung bình hoặc cao.

Thể tích. Công cụ tính nhân chiều dài, chiều rộng và chiều sâu để được feet khối, sau đó chia cho 27 để đổi sang yard khối, đơn vị mà các nhà cung cấp đá thường sử dụng để báo giá.

$\text{Thể tích (yd}^3\text{)} = \frac{\text{Chiều dài} \times \text{Chiều rộng} \times \text{Độ sâu}}{27}$

Kích thước đá D50. Thay vì yêu cầu vận tốc nước chính xác, công cụ tính sử dụng ba khoảng vận tốc dòng chảy, mỗi khoảng gắn với một kích thước đá cơ sở:

Kích thước cơ sở đó được điều chỉnh theo góc dốc. Viên đá nằm trên mái dốc chịu ít ma sát giữ nó cố định hơn viên đá trên mặt đất phẳng, vì vậy mái dốc càng lớn thì cần đá càng to. Công cụ tính áp dụng hệ số hiệu chỉnh theo độ dốc K1:

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

$D_{50} = \frac{\text{Cơ sở } D_{50}}{K_1}$

Ở đây θ là góc dốc do người dùng nhập, còn φ là 40 độ, góc nghỉ được công cụ tính sử dụng. Góc nghỉ là góc lớn nhất mà đá đổ tự nhiên vẫn ổn định. Trên mặt đất phẳng (θ = 0°), K1 bằng 1, nên D50 bằng kích thước cơ sở. Khi góc dốc tăng tới 40°, K1 giảm dần về không và D50 yêu cầu tăng không giới hạn.

Ở 40° hoặc lớn hơn thì không có lời giải. Khi đó công cụ tính ẩn kích thước đá và cấp đá, thay vào đó hiển thị cảnh báo: không có viên đá nào, dù lớn đến đâu, có thể tự ổn định trên mái dốc lớn như vậy; địa điểm cần một giải pháp kết cấu, chẳng hạn kè bê tông hoặc tường rọ đá, thay cho đá rời. Thể tích và khối lượng vẫn được báo cáo, vì cả hai không phụ thuộc vào kích thước đá.

K1 là hệ số hiệu chỉnh mái dốc bên được sử dụng trong sổ tay EM 1110-2-1601 của Công binh Lục quân Hoa Kỳ và trong Sổ tay Kỹ thuật Quốc gia của Cơ quan Bảo tồn Tài nguyên Thiên nhiên, Phần 654, Phụ lục Kỹ thuật 14C. Hệ số này xuất phát từ phân tích lực kéo do Lane công bố vào 1955: một viên đá nằm trên mái dốc bên cần ít lực hơn để bị bật ra so với viên đá trên đáy phẳng, nên viên đá phải lớn hơn theo hệ số 1/K1. TS14C lập bảng cùng hệ số này theo tỷ lệ mái dốc, chẳng hạn 0,87 tại 3H:1 V (18,4°), 0,72 tại 2H:1 V (26,6°) và 0,52 tại 1,5H:1 V (33,7°).

Cấp kích thước đá. Công cụ tính phân loại kết quả D50 vào một trong năm cấp có tên sau:

Khối lượng đá. Công cụ tính đổi thể tích sang cân nặng bằng khối lượng riêng cố định khi đặt là 1,5 tấn trên mỗi yard khối, giá trị được sử dụng trong Thông tư Kỹ thuật Thủy lực 15 của FHWA. Khối lượng riêng này không thay đổi theo kích thước đá. Đá lớn hơn có khoảng trống lớn hơn giữa các viên, nên một yard khối đá hộc lớn và một yard khối đá hộc nhỏ có cân nặng xấp xỉ nhau sau khi được đặt. (Các phép đo thực địa dao động từ khoảng 1,2 đến 1,7 tấn trên mỗi yard khối, tùy theo cấp phối và độ chặt khi đầm đá; công cụ tính sử dụng một giá trị trung bình duy nhất là 1,5.)

$\text{Khối lượng đá} = \text{Thể tích (yd}^3\text{)} \times 1.5$

Ví dụ minh họa

Xét một khu vực bảo vệ bờ suối dài 50 ft, rộng 20 ft, có chiều dày lớp đá hộc 2 ft, mái dốc 25° và dòng chảy trung bình (5–10 ft/giây).

Thể tích:

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

D50:

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

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

Giá trị này nằm trong khoảng 8–12 in, nên công cụ tính báo cáo Cấp III – Đá hộc lớn.

Khối lượng đá:

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

Với dự án này, công cụ tính sẽ báo cáo đá có D50 khoảng 11,9 inch, 74,1 yard khối (56,7 m³) và 111,1 tấn (101 t) đá.

Hướng dẫn thi công

Bên cạnh các con số, công cụ tính liệt kê những lưu ý thi công thay đổi theo các đầu vào. Mọi kết quả đều bao gồm việc đặt vải địa kỹ thuật bên dưới lớp đá hộc để ngăn đất bị rửa trôi lên qua các khoảng trống, đồng thời đặt đá theo kiểu ngẫu nhiên, liên kết với nhau thay vì xếp thành các hàng ngay ngắn. Với góc mái dốc lớn hơn 30°, công cụ khuyến nghị neo giữ cơ học hoặc tạo bậc, và thi công mái dốc từ dưới lên để đá không trượt trong quá trình xây dựng. Đối với địa điểm có dòng chảy lớn, công cụ bổ sung lưu ý về việc bảo vệ chân mái dốc. Một quy tắc chung được nhắc lại trong các hướng dẫn kỹ thuật và phản ánh trong ghi chú của công cụ là lớp đá hộc phải dày ít nhất 1,5 lần kích thước D50, để các viên đá chồng lấn lên nhau thay vì nằm lộ thiên thành một lớp đơn.

Các câu hỏi thường gặp

D50 trong việc xác định kích thước đá hộc chống xói là gì? D50 là kích thước trung vị của đá trong một lô đá hộc: một nửa số đá xét theo cân nặng thì nặng hơn và một nửa nhẹ hơn. Kỹ sư quy định D50 thay vì viên đá lớn nhất vì đá hộc hoạt động như một khối liên kết, không phải như những viên đá riêng lẻ.

Công cụ tính này sử dụng công thức nào cho D50? Công cụ bắt đầu từ một kích thước đá cơ sở gắn với điều kiện dòng chảy (6 in đối với dòng chảy thấp, 9 đối với dòng chảy trung bình và 12 đối với dòng chảy cao), sau đó chia kích thước này cho hệ số hiệu chỉnh mái dốc K1 = √(1 − sin²θ / sin²40°), trong đó θ là góc dốc. Mái dốc càng lớn thì K1 càng nhỏ và D50 yêu cầu càng lớn.

Tại sao công cụ tính không đưa ra kích thước đá trên mái dốc lớn? Khi góc dốc đạt 40°, là góc nghỉ mà công cụ tính sử dụng cho đá đổ, K1 bằng không và công thức không có nghiệm. Đá rời không thể tự giữ ổn định ở góc đó, bất kể kích thước. Công cụ thay kích thước đá và cấp đá bằng một cảnh báo, đồng thời vẫn báo cáo thể tích và khối lượng, vì hai giá trị này không phụ thuộc vào kích thước đá. Địa điểm có mái dốc lớn như vậy cần một giải pháp kết cấu để giữ đất thay cho đá hộc.

Công cụ tính đổi thể tích sang khối lượng như thế nào? Công cụ nhân thể tích tính bằng yard khối với khối lượng riêng cố định khi đặt là 1,5 tấn trên mỗi yard khối. Trong công cụ tính, khối lượng riêng này giống nhau đối với mọi kích thước đá; nó không tăng khi giá trị D50 lớn hơn.

Công cụ tính có áp dụng hệ số an toàn cho kết quả không? Không. Các giá trị thể tích, D50 và khối lượng là kết quả thô của công cụ tính, không có biên an toàn tích hợp. Các nhà thiết kế dự án thường tự cộng thêm một biên dự phòng trên cơ sở tính toán ban đầu để bù cho sự không chắc chắn trong ước tính dòng chảy và sai khác khi thi công, nhưng công cụ này không tự động thực hiện việc đó.

“Riprap” và “rip rap” có gì khác nhau? Không có gì khác nhau. Cả hai cách viết đều chỉ cùng một loại vật liệu: đá góc cạnh được đặt để kiểm soát xói mòn. Trong tiếng Anh, “riprap” viết liền thành một từ là cách viết được dùng trong hầu hết các quy cách kỹ thuật và ấn phẩm của chính phủ.