Laboratorietester av blokkmodeller og opptrekkstester i felt for å undersøke bergmassens atferd når den utsettes for belastning fra forankringer

Abstract

Fjellankere, også kalt strekkforankringer eller bare forankringer, består av lastbærende komponenter stag eller kabler som brukes til å stabilisere storskala infrastrukturer i bergmasser og til å forsterke undergrunnen, samt veiskjæringer og tunneler. Til tross for framskrittene som er gjort innen bergmekanikk og ingeniørgeologi i løpet av de siste 80 årene, har få aspekter ved bergteknisk design av høykapasitets fjellankere endret seg de siste 40 årene. Dette gjelder spesielt desgin av tilnærminger som omhandler dimensjonering av fjellankere mot brudd i mørtel-berg kontakten og opptrekksbrudd i bergmassen. Dette prosjektet har som formål å undersøke hvordan belastninger fra forankringer overføres til en lagdelt og oppsprukket bergmasse med ulike sprekkemønstre og hvordan sprekkemønsteret påvirker utviklingen til et eventuelt brudd og kapasiteten mot brudd. Det undersøkes også hvordan lastbærende spenningsbuer induseres i bergmassen under belastninger fra fjellankere.

Denne masteroppgaven er et bidrag til ROCARC prosjektet, hvor hovedmålet er å utvikle en oppdatert tilnærming for dimensjonering av fjellankere som fører til en realistisk og økonomisk løsning. I henold til dette er det blitt designet en bergmekanisk todimensjonal testrigg av NTNU ved IGP. På denne testriggen er det blitt utført en rekke blokkmodelltester på fem ulike blokkmodeller med ulike sprekkemønster som var bestående av flere lag med betongblokker. Disse blokkmodellene simulerte en oppsprukket og lagdelt bergmasse. Testene ble utført under ulike spenningsforhold for å undersøke hvordan blokkmodellene responderer til dette. Deformasjonen og tøyningene ble målt og analysert ved bruk av Digital Image Correlation (DIC). Dataen fra labforsøkene ble også sammenlignet med resultatene fra 4 tidligere fullskala opptrekksforsøk i felt.

Resultatene fra 105 utførte labtester viste at sprekkemønsteret og orienteringen til spenningene i forhold til sprekkene påvirker kapasiteten mot opptrekksbrudd, deformasjonen i blokkmodellen, samt de lastbærende spenningsbuene som ble identifisert og geometrien til bruddlegemet. Kapasiteten mot opptrekksbrudd økte kraftigst når spenningene som stod normalt på de kontinuerlige sprekkene økte. Det motsatte gjaldt deformasjonen til blokkmodellen som var minst ved de samme forholdene. De lastbærende spenningsbuene som overførte ankerlasten ut mot sidene til testriggen, overførte mest spenninger til siden da de kontinuerlige sprekkene var orientert horisontalt. Formen til bruddlegemet viste seg å være konisk for alle testene, hvor bruddet fulgte sprekkene som resulterte i at bruddvinkelen var avhengig sprekkemønsteret. Bruddvinklene varierte fra 90° - 135°. Resultatene fra felt viste også at bruddene så ut til å ha en konisk form som fulgte sprekkemønstrene. Bruddvinklene fra feltforsøkene varierte fra 127° - 142°.

I diskusjonen blir resultatene fra lab- og feltforsøkene sammenlignet med hverandre og tilnærminger for estimert kapasitet som brukes i dagens praksis. Det konkluderes med at sprekkemønsteret og hvordan spenningsforholdene i bergmassen er orientert til sprekkene påvirker kapasiteten mot opptrekksbrudd i stor grad. I tillegg påvirker det hvordan lastbærende spenningsbuer induseres i bergmassen, den vertikale forskyvningen, samt geometrien til bruddlegemet. Konklusjonen og sammenligningene med tilnærmingene fra dagens praksis tyder på at disse gir svært konservative resultater, spesielt tilnærmingen som kun baserer seg på vekten til bruddlegemet, og at det bør vurderes å ta hensyn til orienteringen av sprekkemønsteret og spenningsforholdene i bergmassen ved dimensjonering av fjellankere.

Rock anchors are load bearing components, usually steel bars or tendons, which are used to stabilize large-scale infrastructures and to reinforce the ground, as well as rock slopes and tunnels. Despite the advances that have been made in rock mechanics and rock engineering during the last 80 years, few aspects of the rock engineering design of high capacity rock anchors have changed in the past 40 years. This applies, in particular, to the design of the calculations of rock anchors dimensioning against rock-grout failure and uplift failure within the surronding rock mass. The purpose of this project is to investigate how stresses from anchors are transferred to a blocky rock mass with different joint patterns and how the different patterns affects the development of a potential failure and the load capacity against failure. Also, investigate the development of stresses and formation of load bearing arches when subject to an anchoring load.

This master's thesis is a contribution to the ROCARC project, where the main objective is to develop an updated approach for design of dimensioning rock anchors that leads to a realistic and cost-effective solution. Accordingly, a two-dimensional rock mechanical test rig has been designed by the Department of Geoscience and Petroleum at NTNU. A series of tests have been carried out on this test rig with five different block models which contains different joint patterns. These block models simulated a blocky rock mass and consisted of multiple layers of concrete blocks. The tests were carried out under different stress conditions to examine the response of the block models to these conditions. Digital image correlation (DIC) was used to monitor the strain and displacements in the block models. The data from the laboratory tests was also compared to the results from four previous full-scale field pull up tests.

The results from 105 conducted laboratory tests showed that the joint pattern and the orientation of stresses relative to the joints influenced the capacity against uplift failure, the deformation in the block model, as well as the load-bearing stress arches identified and the geometry of the uplift failure. The capacity against pull up failure increased most significantly when the stresses normal to the continuous joints increased. The opposite applied to the deformation of the block model, which was minimal under the same conditions. The load-bearing stress arches that transferred the anchor load outward to the sides of the test rig, transferred the most stress to the side when the continuous joints were oriented horizontally. The shape of the failure body proved to be conical for all tests. The failure seemed to propagate through the joints, resulting in the failure angle depending on the joint pattern. The failure angles varied from 90° to 135°. The results from the field also indicated that the failures appeared to have a conical shape that followed the joint patterns. The failure angles from the field experiments ranged from 127° to 142°.

In the discussion, the results from the laboratory and field experiments are compared with each other and with the approaches for estimated capacity used in current design. The conclusion is that the joint pattern and the orientation of stress conditions in the rock mass have a significant influence on the capacity against pull up failure. Additionally, it affects the induction of load-bearing stress arches in the rock mass, the vertical displacement, and the geometry of the failure body. The conclusion and comparisons with the approaches used in current design indicate that these provide highly conservative results, especially the approach that solely relies on the weight of the failure body. It suggests that consideration should be given to the orientation of the joint pattern and stress conditions in the rock mass when designing rock anchors.