Bergspenningsmålinger muligheter og begrensninger

Transkript

1 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 NO-7465 Trondheim, NORWAY Visit: Sem Sælandsvei (cell phone) [email protected] skype: simonhagen Teknologi for et bedre samfunn 1

2 Innhold Bergspenningers opprinnelse Metoder for bestemmelse av bergspenninger Overboringsmetoder 2D overboring (doorstopper metoden) 3D overboring Hydraulisk splitting Bergspenningsovervåkning Oppsummering 2

3 Bergspenningers opprinnelse Gravitative spenninger Vertikalspenning: v = g h Horisontalspenning: h = /(1 - ) v Topografiske betingede gravitasjonsspenninger (dalsider) 3

4 Bergspenningers opprinnelse Geologiske betingede bergspenninger Tektoniske spenninger Spenninger som skyldes platetektonikk (horisontalspenninger) Residualspenninger/restspenninger (fra avkjøling) Spenninger låst fast i et materiale fra tidligere 4

5 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 5

6 World stressmap 6

7 Overflateindikatorer på høye bergspenninger Eksfoliasjon (overflateparallelle sprekker) Overflateavskalling 7

8 Indikatorer på høye bergspenninger Spraking og bergslag i tunneler Høy horisontal spenning Høy vertikal spenning Høy spenning som vist 8

9 «Borehole breakout» Avskalling i borehull på grunn av høye tangentielle spenninger 9

10 «Coredisking» Spenningskonsentrasjoner i hullbunnen under kjerneboring 10

11 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 11

12 Bestemmelse av bergspenninger Overboringsmetoder 2D overboring «Doorstopper» 3D overboring 12

13 Overboringsmetoden «Overcoring» Frigjøring av spenninger Målbare deformasjoner/tøyninger (passiv metode) 13

14 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 14

15 2D Overboring Gjøres i eksisterende tunneler og bergrom Under driving/bygging Ved utvidelse Ved andre nærliggende anlegg 15

16 2D overboring måleprinsipp 6 8 målepunkter for hvert målehull Spenningsbildet fra kontur og innover i berget Nullavlesning Avlesning 16

17 2D overboring «takhull» Måle horisontalspenninger i «hengen» Kontrollere/måle innspenning i rom med stor spennvidde (stabilitet) 17

18 2D overboring «takhull» Bergrom med stor spennvidde (Ballangen dolomittgruve) 18

19 2D overboring «pilar» Måle pilarbelastning «Kamelrygg» (praktisk spenningsfordeling) «Dromedarrygg» (overbelastet/begynnende bruddtilstand) 19

20 2D overboring «pilar» «Timeglass» form 20

21 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 21

22 3D Overboring 22

23 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 23

24 3D overboring Utføres som regel fra eksisterende tunneler i planleggingsfasen Kan også utføres tidlig i byggefasen (adkomsttunnel o.l.) 24

25 3D overboring Kan også utføres fra "dagen" i horisontale hull 25

26 3D overboring Målingene utføres min. 1-1,5 diameter fra tunnelveggen (utenfor influensområdet) Logger tøyningene underveis i boringen 7-10 målepunkter i hvert målehull 36 mm 76 mm Compressed air 61 mm 26

27 Tøyninger fra 3D overboring Start Overboring Slutt Biaksial testing 27

28 3D målecelle testes i biaksialcelle Stegvis hydraulisk omslutningstrykk Bestemmelse av elastiske konstanter 28

29 3D overboring resultatpresentasjon Spenningsberegning i «DISO» σ 2 σ 3 σ 1 29

30 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) 30

31 Hydraulisk splitting 31

32 Hydraulisk splitting In-situ bergspenningmålingsmetode 32

33 Hydraulisk splitting Aktiv metode Pakkere stenger av en seksjon i borhullet Bestemme in-situ bergspenning i planet normalt på borehullet 33

34 Hydraulisk splitting Vann trykksettes i testseksjonen og til splitting bergmassen skjer Stenger vanntilførsel og måler trykket 34

35 Hydraulisk splitting Sprekkeorientering med avtrykkspakker Gir retning på største hovedspenning 35

36 Trykk [bar] Flow [L/min] Hydraulisk splitting Resultatpresentasjon Splittetrykk Trykk(bar) Flow(L/min) Lukketrykk Gjenåpningstrykk Tid

37 Hydraulisk splitting Beregning av bergspenning Minste hovedspenning 3 / h = Lukketrykk (P s ) Største hovedspenning 1 / H = 3*(P s ) + Strekkfasthet (T) - Splittetrykk (P b ) Strekkstyrke av bergmasse Strekkfasthet (T) = Splittetrykk (P b ) Gjenåpningstrykk (P r ) evt. bestemt på kjerner fra tester i lab 37

38 Hydraulisk splitting - bruksområder Måling av bergspenning i dype nedadgående/vertikale hull fra "dagen" 38

39 Hydraulisk splitting - bruksområder Måling av bergtrykk langs trykktunneler 39

40 Hydraulisk splitting - bruksområder Plassering av betongpropp i vannkraftstasjoner 40

41 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 41

42 Bergspenningsovervåkning 42

43 2D langtidsdoorstopper Er en modifisert 2D doorstopper 43

44 2D langtidsdoorstopper Er en modifisert 2D doorstopper Vanlig 2D doorstopper 44

45 σ h2 2D langtidsdoorstopper σ h1 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 45

46 2D langtidsdoorstopper - bruksområder Kontroll/overvåkning av bergspenning ved driving/utvidelse Kritiske områder Sikkerhet 46

47 Oppsummering bergspenningsmålinger 2D overboring 3D overboring Hydraulisk splitting Forundersøkelser (X) (X) X Fra «dagen» (X) X In-situ spenning X X Dype hull X Verifisering X (X) Aktiv metode X Passiv metode X X 47

48 Takk for oppmerksomheten! 48