docBergspenningsmålinger – muligheter og begrensninger
download 
Report Transcription
Bergspenningsmålinger – muligheter og begrensninger
2. – 3. februar 2015 Clarion Hotel & Congress Trondheim ”Anvendt bergmekanikk” Bergspenningsmålinger – muligheter og begrensninger Simon Alexander Hagen Rock Technician, Rock and Soil Mechanics | Bergtekniker, Berg- og Geoteknikk SINTEF Building and Infrastructure | SINTEF Byggforsk NO-7465 Trondheim, NORWAY | Visit: Sem Sælandsvei 1 +47 92 69 72 10 (cell phone) | simon.a.hagen@sintef.no | skype: simonhagen1986 www.sintef.no/byggforsk | Teknologi for et bedre samfunn SINTEF Byggforsk 1 Innhold • Bergspenningers opprinnelse • Metoder for bestemmelse av bergspenninger • Overboringsmetoder • 2D overboring (doorstopper metoden) • 3D overboring • Hydraulisk splitting • • Bergspenningsovervåkning Oppsummering SINTEF Byggforsk 2 Bergspenningers opprinnelse • Gravitative spenninger • Vertikalspenning: v = g h • Horisontalspenning: h = /(1 - )v • Topografiske betingede gravitasjonsspenninger (dalsider) SINTEF Byggforsk 3 Bergspenningers opprinnelse • Geologiske betingede bergspenninger • Tektoniske spenninger • Spenninger som skyldes platetektonikk (horisontalspenninger) • Residualspenninger/restspenninger (fra avkjøling) • Spenninger låst fast i et materiale fra tidligere SINTEF Byggforsk 4 Bergspenninger i Norge • • Områder med spesielt høye horisontale spenninger • Prekambriske grunnfjellsområder (Vestlandet, Trøndelag,Nord-Norge) • Permiske intrusiver i Oslo-feltet (drammensgranitt og larvikitt) Generelle retninger: • Orientert normalt/parallelt med den kaledonske fjellkjede SINTEF Byggforsk 5 World stressmap SINTEF Byggforsk 6 Overflateindikatorer på høye bergspenninger • • Eksfoliasjon (overflateparallelle sprekker) Overflateavskalling SINTEF Byggforsk 7 Indikatorer på høye bergspenninger • Spraking og bergslag i tunneler Høy horisontal spenning Høy vertikal spenning Høy spenning som vist SINTEF Byggforsk 8 «Borehole breakout» • Avskalling i borehull på grunn av høye tangentielle spenninger SINTEF Byggforsk 9 «Coredisking» • Spenningskonsentrasjoner i hullbunnen under kjerneboring SINTEF Byggforsk 10 Bergspenningsmålinger - bruksområder • • Benyttes for måling av bergspenninger i en ingeniørmessing sammenheng Design og vurdering av stabilitet av bergrom • Dimensjonering av bergsikring • Redusere kostnader i forbindelse med sikring • Viktig inngangsparameter ved numerisk modellering • Design og orientering av bergrom, haller og gruver • Trimming/fjerning av pilarer i gruver • Pilarer med liten last har liten nytteverdi • Orientering av målehull til hydraulisk splitting SINTEF Byggforsk 11 Bestemmelse av bergspenninger • Overboringsmetoder • 2D overboring «Doorstopper» • 3D overboring SINTEF Byggforsk 12 Overboringsmetoden • • • «Overcoring» Frigjøring av spenninger Målbare deformasjoner/tøyninger (passiv metode) SINTEF Byggforsk 13 2D overboring (Doorstopper) • • Tøyninger på strekklapprosett leses av før og etter overboring Benytter Hooke’s lov ved beregning av målt spenning fra: • Målte tøyninger • Elastiske egenskaper SINTEF Byggforsk 14 2D Overboring • Gjøres i eksisterende tunneler og bergrom • Under driving/bygging • Ved utvidelse • Ved andre nærliggende anlegg SINTEF Byggforsk 15 2D overboring måleprinsipp • • 6 – 8 målepunkter for hvert målehull Spenningsbildet fra kontur og innover i berget Nullavlesning Avlesning SINTEF Byggforsk 16 2D overboring «takhull» • Måle horisontalspenninger i «hengen» • Kontrollere/måle innspenning i rom med stor spennvidde (stabilitet) SINTEF Byggforsk 17 2D overboring «takhull» • Bergrom med stor spennvidde (Ballangen dolomittgruve) SINTEF Byggforsk 18 2D overboring «pilar» • Måle pilarbelastning • «Kamelrygg» (praktisk spenningsfordeling) • «Dromedarrygg» (overbelastet/begynnende bruddtilstand) SINTEF Byggforsk 19 2D overboring «pilar» • « Timeglass » form SINTEF Byggforsk 20 2D overboring • • Fordeler • Trenger kun liten del av intakt kjerne • Lettere å få målinger ved ”dårlig fjell” eller coredisking • ”Billig og rask” målemetode, 1-2 arbeidsdager pr. målehull • Måler både i horisontale og vertikale hull • Horisontale hull for å måle pilarlast • Vertikale hull for måling horisontalpilarlast Ulemper • Måler kun spenninger i et plan normalt på boreretning • Metoden krever tørt målehull SINTEF Byggforsk 21 3D Overboring SINTEF Byggforsk 22 3D overboring • • • Tøyninger på 3 strekklapprosetter leses av før og etter overboring Benytter Hooke’s lov ved beregning av målt spenning fra: • Målte tøyninger • Elastiske egenskaper Måler størrelse og retning til de 3 hovedspenningene i bergmassen SINTEF Byggforsk 23 3D overboring • • Utføres som regel fra eksisterende tunneler i planleggingsfasen Kan også utføres tidlig i byggefasen (adkomsttunnel o.l.) SINTEF Byggforsk 24 3D overboring • Kan også utføres fra "dagen" i horisontale hull SINTEF Byggforsk 25 3D overboring • • • 36 mm 76 mm Målingene utføres min. 1-1,5 diameter fra tunnelveggen (utenfor influensområdet) Logger tøyningene underveis i boringen 7 - 10 målepunkter i hvert målehull Compressed air 61 mm SINTEF Byggforsk 26 Tøyninger fra 3D overboring Start Overboring Slutt Biaksial testing SINTEF Byggforsk 27 3D målecelle testes i biaksialcelle • • Stegvis hydraulisk omslutningstrykk Bestemmelse av elastiske konstanter SINTEF Byggforsk 28 3D overboring resultatpresentasjon • Spenningsberegning i «DISO» σ2 σ3 σ1 SINTEF Byggforsk 29 3D overboring • • Fordeler • Måler in-situ bergspenning • Den mest benyttede og utviklede metoden i dag Ulemper • Krever en viss bergmassekvalitet • Tørt målehull • Lav oppsprekning • Et målehull gjennomføres i løpet 2-3 dager • Vanskelig å utføre ved høye spenninger (coredisking) SINTEF Byggforsk 30 Hydraulisk splitting SINTEF Byggforsk 31 Hydraulisk splitting • In-situ bergspenningmålingsmetode SINTEF Byggforsk 32 Hydraulisk splitting • • • Aktiv metode Pakkere stenger av en seksjon i borhullet Bestemme in-situ bergspenning i planet normalt på borehullet SINTEF Byggforsk 33 Hydraulisk splitting • • Vann trykksettes i testseksjonen og til splitting bergmassen skjer Stenger vanntilførsel og måler trykket SINTEF Byggforsk 34 Hydraulisk splitting • • Sprekkeorientering med avtrykkspakker Gir retning på største hovedspenning SINTEF Byggforsk 35 Hydraulisk splitting • Resultatpresentasjon 200 70 Splittetrykk 180 Trykk(bar) 60 50 140 40 120 Gjenåpningstrykk Lukketrykk 30 100 20 80 10 60 0 40 -10 20 -20 0 -30 0 100 200 300 400 500 600 Flow [L/min] Trykk [bar] Flow(L/min) 160 700 Tid SINTEF Byggforsk 36 Hydraulisk splitting • Beregning av bergspenning • Minste hovedspenning 3/h = Lukketrykk (Ps) • Største hovedspenning 1/H = 3*(Ps) + Strekkfasthet (T) - Splittetrykk (Pb) • Strekkstyrke av bergmasse Strekkfasthet (T) = Splittetrykk (Pb) – Gjenåpningstrykk (Pr) evt. bestemt på kjerner fra tester i lab SINTEF Byggforsk 37 Hydraulisk splitting - bruksområder • Måling av bergspenning i dype nedadgående/vertikale hull fra "dagen" SINTEF Byggforsk 38 Hydraulisk splitting - bruksområder • Måling av bergtrykk langs trykktunneler SINTEF Byggforsk 39 Hydraulisk splitting - bruksområder • Plassering av betongpropp i vannkraftstasjoner SINTEF Byggforsk 40 Hydraulisk splitting • • • Fordeler • Aktiv metode – måler minste hovedspenning direkte! Trenger ikke konverteres fra tøyning til spenning • Kan måle på store dyp • Måler i vannfylte/tørre hull Ulemper • Gir kun minste hovedspenning • Største hovedspenning må beregnes • Må ha en viss bergmassekvalitet. (Stor oppsprekking fører til jekking av eksisterende sprekker) Metoden utvikles også i dag og kan også brukes på eksisterende sprekker ved et visst antall sprekkesett SINTEF Byggforsk 41 Bergspenningsovervåkning SINTEF Byggforsk 42 2D langtidsdoorstopper • Er en modifisert 2D doorstopper SINTEF Byggforsk 43 2D langtidsdoorstopper • Er en modifisert 2D doorstopper Vanlig 2D doorstopper SINTEF Byggforsk 44 σh2 σh1 2D langtidsdoorstopper • • • • Vanlige 2D doorstoppermålinger gjennomføres i flere omganger inn mot punktet hvor den modifiserte doorstopperen skal plasseres Dette gir en "basisverdi" for spenningene ved målestedet Langtidsdoorstopperen monteres Avlesninger tas regelmessig fra langtidsdoorstopperen ved hjelp av en målebro eller en datalogger SINTEF Byggforsk 45 2D langtidsdoorstopper - bruksområder • Kontroll/overvåkning av bergspenning ved driving/utvidelse • Kritiske områder • Sikkerhet SINTEF Byggforsk 46 Oppsummering bergspenningsmålinger Forundersøkelser 2D overboring 3D overboring Hydraulisk splitting (X) (X) X (X) X X X Fra «dagen» In-situ spenning Dype hull Verifisering X X (X) Aktiv metode Passiv metode X X X SINTEF Byggforsk 47 Takk for oppmerksomheten! SINTEF Byggforsk 48
