طراحي بهينه گستره سنگچين با استفاده از ابعاد مختلف سنگ در اطراف پايه پل با مقطع مستطيلي با طوق محافظ و بدون آن

Optimum Design of Riprap Extension with Different Stone Size at Rectangular Bridge Piers with and without Protective Collar

استفاده از سنگچین به عنوان یكی از معمول‌ترین روش‌های كنترل و كاهش آبشستگی در اطراف پایه‌های پل مطرح می‌باشد. طراحی اندازه سنگچین بر اساس بزرگ­ترین نیروی ناشی از جریان كه فقط بر یك محدوده كوچك در اطراف پایه پل به‌عنوان ناحیه بحرانی اعمال می­شود، انجام می­گیرد. در حالیكه گستره لایه سنگچین در اطراف پایه پل محدوده وسیعی را، مخصوصاً در پایه‌های مستطیلی در بر می­گیرد. در نتیجه با توجه به اینكه شدت نیروهای جریان در نواحی مختلف اطراف پایه متفاوت می­باشد، می­توان برای نیل به طرحی بهینه و اقتصادی، از سنگ­هایی با ابعاد مختلف در محدوده گستره سنگچین استفاده نمود كه هدف از تحقیق حاضر می­باشد. بدین منظور، مطالعه آزمایشگاهی برای برآورد ابعاد مختلف سنگچین بر روی پایه­های پل با مقطع مستطیلی و در دو حالت محافظت شده با طوق و بدون طوق انجام گرفته است. نسبت ابعادی (نسبت طول به عرض) پایه­های مورد مطالعه در محدوده 3 تا 7 قرار دارد كه تحت زوایای قرار­گیری متفاوت (بین صفر تا 20 درجه) نسبت به راستای جریان نصب شده­اند. نتایج نشان داد كه در حالت پایه­های بدون محافظ مستقیم و نسبت طول به عرض مختلف تنها كافیست سنگچین طراحی (بر اساس بزرگترین نیروی جریان) در 8% سطح گستره سنگچین دور پایه ریخته شود و در مابقی مناطق، اندازه پایدار سنگ را می­توان به میزان 38% كاهش داد. همچنین با افزایش زاویه قرارگیری پایه به‌علت گسترده­تر شدن ناحیه بحرانی، محدوده قرارگیری سنگچین طراحی افزایش می­یابد. در نهایت آزمایش‌ها نشان داد كه در حالت پایه­های محافظت شده با طوق، به‌علت حفاظت از بستر دور پایه توسط طوق، محدوده سنگچین طراحی نسبت به حالت بدون طوق كمتر می‌باشد كه میزان كاهش بستگی به زاویه قرارگیری پایه دارد.  

Riprap layer is the most commonly employed countermeasure against scouring around bridge piers. Due to the large area of high intensity flow around a pier, riprap layer extent is large, especially in the case of skewed rectangular piers. Stable riprap size is designed so that it can resist the highest flow forces in the critical region around a pier. However, as the strength of flow forces around a pier is different, smaller riprap sizes can be used in the areas with lower flow forces to get optimum design. In the present study, extent of riprap layer with different sizes around bridge piers is investigated. Three different rectangular piers with or without an attached protective collar aligned with the flow and skewed at different angles are tested. The ranges of aspect ratio for the piers and skew angle were 3 to 7 and 0o to 20o, respectively. The optimal configurations of riprap extent for each pier condition with different sizes were determined. Experiments showed that in the case of aligned rectangular pier without a collar only 8% of the area around the pier is critical and the remaining 92% area can be protected with about 38% smaller riprap stones. As the skew angle of the pier increases, the critical area increases too. In case of protected pier with collar, the collar prevents the region around the pier and therefore, the extent of riprap layer decreases compared to unprotected pier with similar flow condition.