Stabilitet av betongdammer - Ruhetens påvirkning på skjærkapasiteten mellom betong og berg

Abstract

Skjærkapasiteten mellom betong og fundament i dammer beregnes i dag ofte med det lineære Mohr-Coulomb-kriteriet. Dette er et empirisk kriteriet som er forholdsvis enkelt å benytte mye på grunn av dets enkle oppbygning og få parametere. Et stort antall forsøk har imidlertid vist at det er faktorer Mohr-Coulomb-kriteriet ikke fanger opp. En av disse faktorene er ruheten i grenseflaten mellom betongen og fundamentet, som antas å påvirke skjærkapasiteten betraktelig. Det foreligger derfor et behov for en større vitenskapelig forståelse av ruhetens påvirkning på skjærkapasiteten.Hensikten med denne oppgaven var å undersøke om kalibrerte tredimensjonale beregningsmodeller kan benyttes til å estimere skjærkapasiteten for en vilkårlig ruhet i grenseflaten mellom betong og fundament. For å få en bedre forståelse av ruhetens påvirkning på skjærkapasiteten skulle det gjennomføres skjærforsøk i sammenheng med tredimensjonale simuleringer av samme forsøk. De numeriske simuleringene lot seg imidlertid ikke gjennomføre, men denne oppgavens resultater fra litteraturstudie og skjærforsøk vil kunne være grunnlag for senere numeriske simuleringer innenfor relevant forskning.Oppgavens problemstilling er som følgende:Kan kalibrerte tredimensjonale beregningsmodeller benyttes til å estimere skjærkapasiteten for en vilkårlig ruhet i grenseflaten mellom betong og fundament? Hvilke faktorer påvirker skjærkapasiteten mellom betong og berg? Hvordan påvirker ruheten og vinkelen på ujevnhetene skjærkapasiteten mellom betong og berg? Hvilke faktorer er bestemmende for bruddmekanismene i grenseflaten mellom betong og berg?For å løse denne oppgavens problemstilling er det gjennomført et litteraturstudie og direkte skjærforsøk. Selve litteraturstudie er gjennomført for å: få et innblikk i generell glidestabilitetsanalyse og metoder for glidestabilitetskontroll av betongdammer få et innblikk i regelverket for kontroll av glidestabilitet av betongdammer i Norge og i andre land avdekke faktorene som påvirker skjærkapasiteten mellom betong og berg skaffe informasjon og inspirasjon angående gjennomførelse av direkte skjærforsøk og hvordan belyse ruhetens påvirkning på skjærkapasiteten på en hensiktsmessig måteSkjærforsøkene ble gjennomført ved Luleå Tekniska Universitet (LTU) i Sverige. Det ble gjennomført totalt 12 forsøk på betong-berg prøvelegemer av lik størrelse (0.24x0.24m2). For å se hvordan ruheten påvirker skjærkapasiteten, ble det valgt å manipulere bergoverflatene med et sagtannet profil. Altså triangulære ujevnheter med lik vinkel og lik lenge over hele flaten. Forsøkene ble gjennomført med fire ulike overflateprofiler med vinkler på henholdsvis: 40°, 20°, 10° og 0°. Ca. 100-110 mm med betong ble støpt over steinblokkene. To av prøvene ble støpt med heft mellom betongen og berget, mens de 10 resterende ble støpt uten heft. Betongen og berget (granitt) hadde en trykkfasthet på henholdsvis ca. 60 MPa og 283 MPa. Forsøkene ble gjennomført med tre ulike normalspenninger: 0.4 MPa, 0.8 MPa og 1.2 MPa.På bakgrunn av litteraturstudie og resultatene fra direkte skjærforsøk, er det sannsynlig at disse faktorene påvirker skjærkapasiteten mellom betong og berg: Ruhet og ujevnheter, og da spesielt størrelse og vinkelen på disse Materialenes styrkeegenskaper (skjær-, strekk-, trykkstyrke) Normalspenning og skjærspenning Kohesjon Om det tidligere har oppstått skjærbrudd eller ikkeResultatene fra forsøkene viser at en økning i ruhet, altså større vinkel på overflatens triangulære ujevnheter, øker skjærkapasiteten betraktelig. Forsøkene viser at en prøve med triangulære ujevnheter på 40 grader har en skjærkapasitet (183 kN) som er over tre ganger så stor som skjærkapasiteten for en prøve med en helt plan flate (52 kN), utsatt for samme normalspenning. En prøve med ujevnheter på 20 grader som er utsatt for normalspenning på 0.8MPa, har nesten dobbel skjærkapasitet (162 kN) som en prøve med ujevnheter på 10 grader (85 kN) utsatt for samme normalspenning.På bakgrunn av denne oppgaven er det ikke mulig å konkludere med hvorvidt en kalibrerte tredimensjonale beregningsmodeller kan benyttes til å estimere skjærkapasiteten for en vilkårlig ruhet i grenseflaten mellom betong og fundament, da de numeriske simuleringene ikke lot seg gjennomføre. De konklusjoner som imidlertid kan trekkes er nettopp ruhetens betydelig påvirkning på skjærkapasiteten mellom betong og berg, og det at det ikke er normalspenningen som er hovedgrunnen til hvordan bergets ujevnheter brytes ned, men derimot ujevnhetenes vinkler. Ujevnhetene i betongen viste seg å være mer sensitiv for både normalspenning og vinkel. Sammenligning med det lineære Mohr-Coulomb-kriteriet viser at dette kriteriet ikke tar hensyn til ruhetens bidrag til skjærkapasiteten.Denne oppgaven belyser det faktum at en økning av ruheten øker skjærkapasiteten mellom betong og berg betraktelig. Det må imidlertid trekkes frem at forsøkene i denne oppgaven er gjennomført i liten skala og at det dermed vil være behov for mer forskning på problemstillingen på en større skala for å kunne implementere ruhetens påvirkning i et regelverk for sikker glidestabilitet av betongdammer. Det anbefales derfor at det gjennomføres videre forskning på blant annet: Gjennomføre numeriske simuleringer på bakgrunn av denne oppgavens resultater. Direkte skjærforsøk på betong-berg grenseflater under in-situ forhold. Direkte skjærforsøk på kjerneborete prøver for betongdammer fundamentert på ulik bergart. Nærmere undersøke kohesjonens påvirkning på skjærkraften. Hvor stor betydning vil ruheten faktisk ha når kohesjon er tilstedeværende? Se på metoder for å bekrefte at kohesjon er tilstedeværende.