A STUDY OF FAILURE IN FRICTIONAL AND LOW-COHESIVE MATERIALS UNDER THE LOAD OF GROUND ANCHORS THROUGH SMALL-SCALE PHYSICAL MODEL TESTS AND NUMERICAL SIMULATIONS

Abstract

Forankringsstag, eller ankere, er strukturelle legemer som overfører påførte strekkspenninger til grunnen ved et bestemt dyp. Per dags dato er det begrenset kunnskap på hvordan brudd initieres og propagerer gjennom berg- og løsmasser ved overbelastning av et anker. Dette prosjektet har som mål å studere bruddforløp i friksjons- og lavkohesive materialer som er belastet av et anker, gjennom småskala fysiske modellforsøk og numeriske analyser. Oppsettet til den fysiske modellen består av et transparent testkammer av pleksiglass, en stiv "ankerblokk" og hydraulisk jekk, utstyrt med et kamera, et ekstensometer og lastcelle som kontinuerlig måler bruddutviklingen og lasten idet ankerblokken skyves gjennom prøvene. Resultatene benyttes til å verifisere todimensjonale FEM-modeller i RS2.

Last-forskyvnings-reaksjonen til den belastede ankerblokken utviser en karakteristisk oppførsel i alle materialene: 1) Pre-peak (før maksimum), 2) peak (maksimal) last, 3) post-peak (etter maksimum) med avtakende last, og 4) konstant last. Pre-peak oppførsel kjennetegnes av en lineær-elastisk respons til en liten forskyvning av ankeret, typisk mellom 1 og 2 mm. Denne elastiske fasen utgjør om lag 65-95 % av den maksimale lastsverdien. Under post-peak fase utvikles et tydelig avgrenset utrivningslegemene imens lasten gradvis avtar. Det separerte utrivningslegemet løftes av ankeret eller faller av, slik at ankeret utviser tilnærmet konstant last. Resultater fra de fysiske modellforsøkene har vist at det ved små forskyvninger mobiliseres et større volum av materialet enn det endelige utrivningslegemet som avgrenses av bruddflatene. Brudd initieres fra et lavt punkt på forankringslengden, opp til ¼ av forankringslengden, avhengig av materialet. Bruddet propagerer oppover med en vinkel til forankringsaksen, og skaper dermed et konisk utrivningslegeme. Vinkelen varierer typisk med noen grader fra peak friksjonsvinkel til materialet. Bruddflatene er rette, kurvede eller en kombinasjon. Sistnevnte ble observert i flerparten av testene. De lav-kohesive materialene utviser liknende oppførsel som friksjonsmaterialene, nemlig brudd som danner et avgrenset bruddlegeme med form som en endevendt konus. Vinkelen til konusen var større enn i friksjonsmaterialene. Peak last var også betydelig høyere, og relatert til materialenes styrke.

Peak lastsverdi for både friksjons- og lavkohesive materialer viser at det er en betydelig andel av lasten som ikke kan forklares ved vekten av utrivningslegemet alene. Numeriske simuleringer avdekker at denne økte lasten kan forklares ved tilstedeværelsen av spenningsbuer i materialene. Det vil si, en bue med forhøyet trykk som induserer en vertikal spenningskomponent på forankringslengden, som motsetter seg oppløftsbevegelsen. Vinkelen til denne spenningsbuen er smalere i friksjonsmaterialet enn i lavkohesive materialer, og påvirker formen på bruddlegemet. Bruddflatene studeres ved å spore sonene med maksimal tøyning, i tillegg til punkter med skjær- og tensilbrudd. Peak og residual friksjonsvinkel har tydelig innvirkning på bruddformen i friksjonsmaterialet, mens elastisitetsmodulen har vist seg å ha betydelig innflytelse på vinkelen og omfanget til brudd gjennom de lavkohesive materialene. De numeriske modellene har på en vellykket måte utvidet studien på de fysiske fenomenene rundt dannelsen av spenningsbuer, så vel som utviklingen av brudd i friksjons- og lavkohesive materialer. Spenningsbuer er identifisert begge materialtypene. Spenningsbueeffekten øker utvilsomt de motsettende spenningene i materialene, og påvirker hvor brudd utvikles. Kohesjon og tensilstyrke påvirker formen til spenningsbuene, og øker utrivningsmotstanden i kohesjonsmaterialene.

Ground anchors are structural members that transmit an applied tensile load to soil or rock mass at a certain ground depth. To date, there exists limited knowledge on how failure initiates and progresses through the rock/soil under the load of an anchor. This project aims to study failure development in frictional and low-cohesive materials under the load of ground anchors through small-scale physical model tests and numerical simulations.

The physical model setup consists of a transparent PVC test chamber, a rigid `"anchor block", and hydraulic jack, instrumented with a camera, an extensometer and load cell to continuously record the failure development and resistance from the material, as the anchor block is pushed through the specimens. The results are applied to verify two-dimensional FEM numerical models in RS2.

The load-displacement response of the anchor under loading may be described by a 1) pre-peak behavior, 2) peak resistance, 3) post-peak behavior with resistance decrease, and 4) constant resistance. Pre-peak behavior involves a linear-elastic response to a small anchor displacement, typically 1-2 mm. This elastic phase accounts for 65-95 % of the peak resistance. The post peak phase is characterized by the development of a delimited failure body from the underlying, stationary material. The resistance decreases gradually, until the separated failure body is lifted by the anchor and/or slips off at a constant resistance.

From the results of the small-scale physical model tests, it has been shown that in the frictional materials, a small vertical displacement of the anchor mobilizes a larger body of material than the final pullout body defined by the failure planes. Failure initiates at a point low on the anchor's socket, typically up to 1/4 of its length, depending on the material type. It propagates outward with an inclination to the anchor axis, thus creating a cone-shaped pullout body. Cone angles generally vary with a few degrees from the peak friction angle of the material. The failure planes are straight, curved or a combination, the latter being observed in most of the tests. %In dry materials, there is a tendency of material loosening and falling off the pullout body, thus reducing its size and mass.

The low-cohesive materials demonstrated similar characteristics as the frictional materials, i.e. failure created a delimited body the shape of an inverted cone. The angle of the cone was larger than in the frictional materials. The peak resistance was also considerably higher, and related to the material's strength.

Peak resistance values of both frictional and cohesive materials show that there is a considerable amount of resistance which cannot be explained solely by the weight of the pullout body. Numerical simulations reveal that this increased resistance may be explained by the presence of arching effect in the materials. Namely, an increased pressure arch, inducing a vertical component on the socket, resisting the pullout. The angle of this pressure arch was found to be more narrow in frictional material than in cohesive material, and has been shown to affect the shape of the failure body. Failure surfaces are studied by tracking the zones of maximum strain, in addition to points of shear and tensile failure. The peak and residual friction angle are found to be controlling parameters in the frictional material, while Young's modulus has been found to have a significant influence on the extent and angle at which failure propagates through the low-cohesive materials.

Numerical models have successfully extended the study on the physical phenomena revolving arching effect and failure in the materials. Arching effect has been identified in both the frictional soils and low-cohesive materials. Arching effect unquestionably increases the resisting stresses from the material, and affects where failure is expected to develop. Cohesion and tensile strength influence the arch shape, and increase the resistance in cohesive materials.