Metode for bestemmelse av dimensjonerende svelletrykk.

34.1
METODE FOR BESTEMMELSE
FJELLSPRINGNINGSTEKNIKK ]NOtr
IJ.,J
BERGMIKANIKK/GEOTEKi,IIKK
AV DIMENSJONERENDE SVELLETRYKK
METHOD FOR DETERMINATION OF DIMENSIONAL S!{ELLING PRESSURE
Professor R- selrner-oIsen, A/s
Geoteam
SAMMENDRAG
Innledningsvis omtales de vanlig anvendte sikringstyper og
de belastningsformer svakhetssoner kan qi samt den metode
som vanliqvis anvendes ved valg av sikringstype. Derpå
beskrives hvordan man best og hurtigst kan oppnå et egnet
Ieirkonsentrat med nøY korntetthet for trinnvise avlastningsforsøk i ødometer.
Ðe ikke svellende Ieirrike konsentrater viser seg ved en
gitt konsolidering å ha en tilnærrnet konstant avlastningskurve- Trekkes denne fra avlastningskurven for en svellende
Ieirprøve ned samme konsolidering, ftemkornmer materialets
svelletrykk. Deretter vises hvordan dette svelletrykk
endres med konsolideringen og hvordan man kan anslå in
situ konsolideringen og beregne Ieirsonens svelletrykk'
slutt omtales hvilke gravitasjonslaster som ved
moderate bergtrykk kan komme i tillegg tiI svellelastene
samt grunnlaget man har for en bestemmelse av
konstruksjonens styrke og sonens lineære svelling-
TiI
3+-¿
SUMMARY
At first the usuaL supporting rnethods are mentioned,
furthermore the types of stress from clay zones. The older
method of support serection are described. Then a suitabre
way is outrined to get a concentrate of the cray minerars
and a hiqh grain closeness in oedometer.
Not swelting concentrates enriched in cray show approxinatery the same graph by step-by-step unloading tests for a
given consoridation. subtracted fron the curve of a swerring cray with the same consoridation the rear swerling
contribution appears- The relationship between the swerling
pressure and the consolidation pressure is described. rt
is also shown how a rough estimate of the in-situ consolidation and a calculation of the swerling pressure from a
clay zone could be done.
gravity loads and the extent of the I i near
swelling are discussed. Final1y, comments are made on the
different
factors which affecting the strength of the
supports, the mode of operation and the behaviour of initiative failure.
Addit ional
INNLEDNING
..>
<\
I våre vanntunneler i paleozoiske og prekambriske bergarter er Ieirsonene en av hovedårsakene til stabilitetsproblemer og sikringsomkostninger-
De sikringsmetoder som nyttes er vanl igvis en av f ire
hovedtyper, her Iístet etter st igende effekt ivitet ved
vanlig utfØreIse:
)
J
'I
)
<:,.
1)
2)
3)
4)
Sprøytebetong med eIIer uten f iber
Boltforankret og strekkarmert sprøytebetong
Hesteskoformete utstøPninqer
SirkuIære utstøpninger
En effektiv sprøytebetong utført på stuff gir Ieira liten
rnulighet for å sveIIe før et svelletrykk belaster
o
ç
sik.ringen, og konstruksjonens styrke er bestemt av
betongens heftstyrke- BoItes og strekkarmeres sprøytebetongen kan styrken bIi ner avhengig av betongplatens
boltforankring og bruddstyrke- En formstøp er derimot å
betrakte som en fri monolittisk konstruksjon støttet til
fjellet i vederlag, vêgger og eventuelt i såIen. Den vit i
noen grad krynpe, d€formeres og sette sê9, og den krever
ner tid før den blir effektiv. Den gir med andre ord en
større mulighet for svelling og avlastning av leira før
svelletrykket belaster konstruksjonen. Konstruksjonens
styrke bestemmes av støpens form og dirnensjoner samt den
kvalitet nan gir betongenVaIget meIIom disse sikringstyper rned forskjellig sikringsef fekt har ved den endet ige s ikr ing v@rt gj ort ut fra
Sonenes nektighet, mengde av finstoff i sonens Ieirholdige
34-4
materiale og en vurdering av laboratorietester son grovt
indikerer f instoffets svelleaktivitet Erfaringene med disse soneegenskaper har gitt visse
restriktive hotdepunkter for når de alternative sikringsmetoder bør kunne anvendes. En n@rmere bestemmelse aV den
svellebelastning som maksimalt kan ventes på en sikring
har dette grunnlag ikke kunnet qi- Det skyldes i første
rekke mangelen av en kvantitativ Iaboratoriemetode for
bestemmelse av finstoffets reelle svelletrykkmobilisering
under en avlastning fra in situ konsolideringsspenning.
Den sikringsdinensjonering som vanligvis har vert brukt er
med andre ord nermest å betrakte som en skjønnspreget' rite
nyansert klassifiseringsmetode for sonene, gEovt tilpasset
de sikringstyper man vanligvis nytter - En slik sarnlet
vurdering av en serie erfaringsbaserte faktorer, kan Iett
f eilimrderinger - I vanntunneler har det f - eks
f øre tiI
ført tiI meget oversikring og ikke sjelden til skade'r på
sikringer og ras under bruken av anlegget-
Da skadene først og fremst har rammet sPrøytebetongsik-
ringer utført på stuff, har det lenge vært arbeidet med å
finne en beregningsrnodell som kan redusere nødvendigheten
av å bruke så rneget skjønnsvurdering ved sikringsvalget.
Det gjelder både under beregning av konstruksjonens styrke
og svellebelastningen den vil fâFor styrkeberegninger av sprøytebetong kan det i dag bl-a.
henvises til arbeider av J- Holmgren og T. Hahn. Her er det
først og fremst en ny beregningsmodell for svellebelastningren som skal omtales -
34.5
Laboratorieforsøkene for dette arbeidet er for'det vesentligste utført av A. Hov og G. Lillevik ved IngeniøEgeologisk laboratorium, NTH- Prosjektet er støttet av NTNF.
BELASTNINGER FRA KNUSNINGSSONER
Et trykk fra en Ieirsone mot en sprøytebetong utfØrt på
stuff kan først mobifiseres etter at avlastningen ved
frisprengningen og påføringen av betong er skjedd' Det viI
si de hurtige radielle deformasjoner som skjer inn til et
par timer etter frisPrengningen, viI ikke f-øre til belastning av sikringen-
ì
I
)
(
)
'l
)
Det som skjer i denne korte perioden er spenningsbetingede'
elastiske og plastiske deformasjoner eventuelt med rissdannelser. Ved moderate bergtrykk viI det bare vere en svært
Iiten del av disse første hurtige rent nekaniske deformasjoner som går tilstrekkelig Iangsomt tiI å gi belastning
selv på en sprøytebetong utført på stuff. De fremkommer i
faII som en føIge av en lav perrneabilitet som bI-a' kan gi
en forbigående økning av effektivspenningene og sterke
kapillære kontraks jonskref ter .
De krefter som i 1øpet av en Iengre periode kan
\
)
¿
)
komme på
en sikring fra en ikke svellende Ieirsone under vanlige
moderate spenninger, viI først og fremst være gravitasjonsIaster. Disse kan f-eks. bygge seg opp som en føLge av en
poretrykksstigning og friksjonsnedsettelse på stikk og
riss etter en vannfylling av tunnelen, eIIer som en føIge
av oppløsning og utvasking. Spenningsonlagr inger oçI srnå
krypdeformasjoner pga. gravitasjonskrefter i det oppknuste
materialet, viI også nedvirke tiI en reduksjon av fjellets
innspenning og stabilitet-
34.6
ì
I Ieirfattige, Sterkt fragmenterte stive masser med belegg
av taIk, visse typer hydrolysert kloritt eIIer en formfast
vannrik silikatmasse med bare en svak begynnende krystallisering (f - eks. en type marg¡aritt ) , êf f aren størst f or
store gravitasjonslaster - Det skytdes den meget lave
friksjonsvinkel på stikkene, ned tiI 3 - 40Skvising i et sonemateriale regner man først å ha i faII
de mekaniske deformasjoner skyldes et høyt bergtrykk som
gir spesielle normalspenninger og deformasjoner som ikke
er avsluttet etter få timer, men pågår over Iengre tid og
er mer dyptgående i sonenDet radielle skvisingtrykk avtar Iikeson svelletrykket
sterkt rned den deformasjon som etter hvert får skjeSkvisingfaren i en sone avtar med økende skjcerfasthet i
materialet, og øker med sonebredden og den normalspenning
sonen får ved frisprenqningen. Sterkt utslagsgivende for
skjærfastheten er ugunstig orienterte stikk og ql-ideÊpei1
og den type rnineralbelegg disse har, samt tilgangen på
vann og et økt poretrYkk.
For de vanlige Ieirrike ikke svellende soner av Iiten tiI
moderat størreIse, hvor en sprøytebetongsikring kan tenkes
får man erfaringsmessig sjeLden nevneverdige
aktueII,
skvisingdeformasjoner uten at også noen bergtrykksproblemer
opptrer i tunnelens bergarter. Det kan irnidlertid forenormalspenningen og skvisingen avhenger AV
komme, idet
sonens orientering i torhold til største hovedspenning i
fjellmassen.
En mineralsvelling er en forholdsvis langsom prosess. Den
avtar i styrke ettersom mineralene øker i volum ved opptak
34.7
av vann i sitt krystaltgitter. Den er helt avhengig både
av en spenningsreduksjon i massen og en vanntilgang- I en
leirsone på stuff er reduksjonen i radialspenning begrenset
til nær konturen og en vanntilgang bestemt av sonens permeabilitet. den hydrauliske gradient og avdampningsforholdene- Det vil si at mineralsvellingen oftest ikke rekker å
få noe nevneverdig ornfang før sonen kan vere sprøytet med
betong.
Etter innsprøytingen nå sonen f.ørst bygge opp igjen radialSpenninger i den aVSpente, hurtig deformerte masSe ncer
konturen før den kan nå sitt maksimun mot den stive sprøytebetongsikringen. Denne kan på sin side også deformeres
litt før heftbrudd skjer. Det maksimale trykk fra mineralsvellingen som sprøytebetongen skal tâ, blir derfor mindre
enn det teoret iske som mineralrnassen kan gi ved den in
situ spenning den står under. De hurtige deformasjoner som
også de ikke svellende Ieirsoner får, reduserer med andre
ord tit en viss grad det maksirnale mineralsvelletrykk son
er bestemt av in situ Spenningen og sonens rnineraler.
Med en svelling fø1ger en reduksjon i skjærfastheten og
eventuelt en Økning av skvisingen og gravitasjonslasten,
dvs- prosessene samvirker. Men idet en svelling stoppes av
en sikring, stopper også skjcerfasthetsreduksjonen, Ved
sikringsvurderinger rnå de tre belastningsgivende prosesser
imidlertid vurderes hver for seg.
Gravitasjonslaster nå vurderes ut fra sonens struktur '
mektighet og andre geometriske forhold samt ut fra skjceri sonen, dvs. effekt ivspenningsforhold og
fastheten
eIler mer grovt ut fra sleppemineralogien'
friksjonsvinkler
Nß
34-8
For skvisinglaster nå dertil fjellets styrke og spenningsnivå samt den respons dette gir, tas med i vurderingen.
Opprettholder man ved sprØytebetong og bolter en sammenheng
i nassen nens deformasjoner skjer, viI skvisinglastene mot
den endelige sikring bIi sterkt redusert.
Ved rene svellesituasjoner rnå den rnaksinale svellelast
vurderes ut fra leirsonens in situ konsolidering, mektighet
og finstoffinnhold samt dette Ieirholdige finstoffs mobiliserbare svelletrykkFår en svelleleirsone stå usikret en tid uten å tørke üt,
sveller den, og det svelletrykk som da senere kan mobiliseres mot en sikring blir vesentlig mindre enn det maksinale. Hvor meget rnindre avhenger av forholdet mellom den
mutige og den inntrufne svelling under den silovirkning
sonen har.
BEREGNING
AV DET MOBILISERBARE
SVELLETRYKK
svellende mineraler langs bruddsoner i fjellet er enten
in situ hydrolyserte mineraler i en bergart, hydrolyserte
i oppståtte porerknuste masser eIIer kjemisk utfelt
Leirsonematerialet består vanligvis både av leirmineraler,
friske mineralkorn og grovere bergartsfragmenter. Det er
meget gamle dannelser, dannet under de helt spesielle
De enkelte korn er
forhold man har på stort dyp i fjelletderfor kornformmessig og spenninqsmessig spesielt godt
tilpasset nabokornene. Det viI si poreforholdene er oftest
mer som i bergarter enn som i vanlige løsmasser.
De.
I
Da uomrørte prøver for ødometerforsøk fra Ieirsoner
av
)
34.9
mange grunner sjelden er mulig
forkonsolidering og ty
prepareringen, pakkingen
tiI
å
oppnå, Rå man velge
spesielle
Ødometeret
og
knep under
tolkningen av
resultatene.
For best mulig å unngå at sterke, ikke hydrolyserte
nineraler danner et stivt og åpent kornskjellet hvor de
ofte srnå mengder Ieirnineraler kan ligge beskyttet og
kan registreres, må man
\ sveIIe uten at deres svelletrykk
I
redusere innholdet av stive inaktive mineraler samtidig
som man unngår å rniste noe av de svellende leirrnineraler.
Best resultat synes man å oppnå ved å dispergere prøven
omhyggelig i vann og derpå slemme av materiale mindre enn
20 Um i- henhold tiI Stokes Iov. Dette fordi aIIe større
svellende mineraler under dispergeringen da erfaringsmessig brytes ned tiI under denne stØrreise-
j
)
(,,
I
ì
/
i
I
For å oppnå en tettest mulig pakking av dette materiale
mindre enn 2Oprn komprimeres ca 20 g tørt etter inndarnping
o
og nødvendig pulverisering før det under
ved ca I00'C
samme belastning får suge opp vann gjennom bunnfilteret'
Dette reduserer bt. a - mutighetene for kornmassen tiI fritt,
og over tid å bygge opp tykke adsorptive vannlag som senere
må brytes ned igj en under konsol ider ingen- Et ter som
oppfuktingsfronten arbeider seg oppover i Prøven, får man
dertil IokaIe små strukturì:ollapser idet de svekkede
leirmineraler presses inn i de åpne porer uten at dette
viI føre tiI nevneverdig poretrykkstigning eIIer tid for
oppbygging av unødi9 tykke adsorptive vannlag'
Etter ferdig konsolidering foretas en trinnvis avlastning
slik at spenning/deformas jonskurven ved en valgt forkonsolidering kan bestemmes- Det viI si man etterlikner best
34 - I0
mulig den avlastningssituasjon
man
har i en tunnel.
Enhver omrørt og komprimert leirsoneptøve som avlastes vil
få en kunstig stor elastisk deformasjon som skyldes den
dårligere korntekstur man oppnår. I det komposittmaterialet
som en Ieirsone êr, viI de små bladige, spesielt elastiske
mineralkorn som i ødometerprøven utgjør en Iangt større
prosent enn i Ieirsonen, avgi sitt betydeligste bidrag til
den mekaniske deformasjon først ved Iave spenningsnivåer.
Dette bidrag viI etter forholdene vere langt større i en
ødometerprøve enn i fjellet hvor mineralene både kornformog spenningsmessig er vesentlig bedre tilpasset nabokornsi. i ødometeret får man en kunstig stor
ene - Det vil
mekanisk utvidelse ved de lave spenningsnivåer når de bøyde
bladige mineraler begynner å rette seg ut.
også som nevnt de små mekanisk betingede
deformasjoner ved moderate bergtrykk for det vesentligste
vere over før man rekker å få påført en sprøytebetbng på
stuff og før en svellíng kan få noe nevneverdig omfang.
Det vil si en ikke svel-Iende leirsone under moderate bergtrykk viI ved sin hurtige mekaniske defornasjon vanskelig
kunne belaste en sprøytebetong. En svellende Ieire vil
imidlertid kunne belaste betongen med det vesentligste av
sitt mineralsvelletrykk.
I f.jeIlet
vil
For å finne dette svelletrykk ved hjelp av en avlastningskurve, lnå man subtrahere avlastningskurven man får når man
hindrer svelleprosessen i å skje. En slik kurve har man i
faII man i stedet for å la prøven suge opp vann lar den
suge opp CcI4. Man mister inidlertid da den utvidelse og
friksjonsnedsettelse som skjer under oppbygging av adsorptivt vann rundt kornene-
34.
)
)
II
Det som synes å 1øse problemet, er det forhold at de i kke
har
svellende plastiske Ieirer fra soner i fjellet
tilnærrnet en og samme avlastningskurve ved avlastning fra
samme konsolidering- Det vil si man kan oppnå standardkurver for de ikke svellende plast iske Ieirer ved de
konsolideringsgrader man Ønsker å nytte for bestemmelse AV
det maksimale svelletrykk.
I figur I er det angitt karakteristiske avlastningskurver
for sonemater ialer mindre enn 20Urn. I f iguren viser A
vanlige kurver for typiske ikke plastiske siltmaterialer
(I*H = O og mindre enn IO ? materiale rníndre enn 2un)
prøver som har fått suge opp
samt for høyst forskjellíge
CCI - i stedet for vann. De sistnevnte gir gjennomgående
4
Iavere verdier enn de førstnevnte.
B viser en rniddelkurve og spredningen for typiske
plastiske leirsonematerialer son ikke inneholder svellende
rninerâter (Tp/ t<2'¡rm f ra O,25 - 0, 6 og meIlom 20 og 60 t
materiale <2Um). C er et eksempel på en sterkt svellende
Ieire med ca 5O t materiale mindre enn 2Um- AIIe prøvene
er likt konsolidert ved k = 4 MPa.
Det fremgår av figuren at de neget begrensede varlasloner
man har i kurvene for de ikke svellende, men Plastiske
leirmaterialer er trnder + 3 t av svelleleirenes tilsvarende
var ias j onsområde
-
Kurvene for gruPPene A og B faller aIIe tilnærmet sammen
ved laster over 1,8 MPa, dvs- i det område som er utslagsgivende for bestemmelse av det maksimale svelletrYkk- Man
kan med andre ord uten større feil nYtte standardkurver
for å eliminere de elast iske effekter.
34 -L2
Fig. 1:
Spenninq/deformas jonskurver f or sonenaterialer
< 2Oym ved avlastning fra 4 MPa i øðometer'
A = Kurver for ikke plastiske siltmaterialer
(matr. < 2Um = O - I0 t, tn = 0) og div'
Ieirmaterialer som har fått suge opp ccI4 i
stedet for vannB = Middelkurve med registrert spredning' for
plastiskeleireruteninnholdavsvellende
mineraler (natr Tp /Z< 2um = o,25 0,6 ) C = ni<sempel på en sterkt svel-Iende Ieire '
34.13
viser et eksernpef på en subtraksjon av
middelkurven for ikke svellende Ieirsoneprøver fra en som
sveller, og hvordan det maksirnate svelletrykk (PU) f or
prøven fremkommer og hva den Iineere svelleutvidelse (SU)
er ved mottrykk O,I MPa for en konsolidering ved 4 MPa.
Figur
2
d
MPo
Fiq.
2=
subtraksjon av kurver og bestemmelse
av maksirualt sr¡elletrykk (P¡), og den Iineære
svelling ved motlast 0,I MPa (SU)
Eks ernpe
I
på
Endres konsolideringslasten (k), endres kurvene både for de
svellende og ikke svellende Ieirmaterialer. 1 figur 3 er
34. 14
det vist hvordan maksimalt svelletrykk (PU) endrer seg
¡ned konsolideringstrykket (k). I det minste opptil k=B MPa
synes forholdet å kunne betraktes som lineert- Ved høyere
konsoLidering flater kurvene noe ut og da sterkest for de
P¡ kan ved en konsolidering ( k*)
mest aktive Ieirer.
opp til B MPa uttrYkkes som:
D-D
' bx- ' b4'
k
x
ka
Pb
MPo
i\-..ù
L
.3
2
t.\u''\
1
Àk
MPo
._t
'.
.\
Fig.
3:
\
"l
¡i,"1¡¿q,r;
Forholdet mellorn maksimalt svelletrykk (P U) og
konsolidering (k) for to PrøveE. en sterkt og en
moderat svellende. Relasjonen kan regnes Iineær
for opp til k = B MPa.
Da det av prøven som bIe fjernet under prepareringen for
ødometerforsøket erfaringsrnessig er fri for svellende
34 - 15
viI
heller ikke si noe svellebidrag- Det
trykk (P¡) som er funnet for c z av den totale prøve må
derfor gi et t rykk på
minera Ier
,
Pb-
de
c
r00
fordelt over den leirrike delen av sonen.
kan gi ved en
20Um er tatt
Det svelletrykk (P= ) en sone i fjellet
konso I ider ing k* i faI I Ødometerprøven
på c t av prøvematerialet er
kc
P=
Pr'o'
x
S
kn
I00
og den samlede svellebelastning
(F^
b
pr
In
sone.
er den samlede bredde av Ieirsoner i knusninqssonen.
"t
søkt nærmere belyst i et
I figur 4A er størrelsen
"t
eksempel- Er Bt vesentlig større enn høyde og spennvidde
i tunnelen, blir høyden eIIer spennvidden bestemmende for
Br.
Prøven for analyse forutsettes tatt som et snitt over den
mest Ieirrike delen av sonen. Det vil bl.a. si i det snitt
hvor steinrnengden er minst, og der Som et snitt over det
materiale som er angitt ned størrelsen Bl-
Er det to klart forskjellige leirtyper i knusningssonen,
f-eks. en Ieirfylling og en Ieiromdannet bergart, bør man
34 - r6
hver for seg
ta to prøver og måIe de to størrelser for
"t
(se fig. qe) . Svellebelastningen På sikringen F s blir da
en sum av to laster.
TEGNFORKLARING
Tunnelvegg
.
ffil
È::>J
Soeselt oæknusl svokt
nersogt uten leræ
I
Rene
E
Leiromdonnel bergorl.
srdel.¡ell '
lerrfyllin-oer
Tunnelh eng
Fiq. 4A: FeltmåÌing av sanl-et Ieirsonebredde BÌ Ved yanlig snittprøve er Bt = (a+b+c)n.
Ved
snittprøver av hver av de to Ieirtyper er tt
henholdsvis (a+b+d)m og (c-d)m- Blir
"t
vesentlig større enn høyde og spennvidde i
tunnelen, blir dette bestemmende for BIFig. 48: FeItmåIing av total sonebredde Bt, dvs- av
rnektigheten av det sterkt opþknu"t" parti-
34 -L7
en n@rmere beregning trenger man også sonens
konsolideringsspenning. Er ikke bergtrykket og poEetrykket
nåIt n@r sonen, må det gjøres et grovt overslag over
antatt maksimal in situ effektivspenning. Da horisontalspenningen på grunt dyp i flatt lende neppe kan være
større enn 2 ganger vertikalspenningêrl, selv ved høye
tektoniske spenningêE, kan k--x neppe være større enn
Vanligvis
hvor h er fjelloverlagringenh( Zfr-Tr)
viI den være vesentlig mindre, dvs- .¡(Tr-Tr) idet
ohV/o oftest vil v@re <I.
For
I dalsider kan den grovt vurderes ut fra idealiserte
endelig elementmodeller og sonens orientering. Høye tektoniske spenninger vinkelrett dalsiden muIiggiør imidlertid
en høyere største hovedspenning enn modellene viser. Den
blir imidlertid sjelden mer enn fordoblettektonisk spenning vanligvis vcere å finne i
en
^øY
en retning hvor man har massivt fjell og da stå nær paralIeIt med eventuelle Ieirsoner. Disse viI derfor ha en mer
moderat konsolidering. Det viI si bare i de meget sjeldne
hvor den tektoniske hovedspenning står ncer
tilfeller
vinkelrett største tektoniske spenning, og i dalsider
samtidig nær vinkelrett største hovedspennitg, kan man
regne med at de tektoniske spenninger har fått serlig stor
betydning for konsolideringsgraden-
Nå yiI
I tunneler viL også ofte Iekkasjeforhold og bergslag i
forhold bergartsstyrke kunne gi indikasjoner på eventuelle
nøye eIIer Iave tektoniske spenninger oçl deres orientering
og derved på konsolideringsgradenI falI
en høy tektonisk spenning har gitt
en unormalt íøY
34. I8
konsolidering,
mulighet
kan konsekvensene v@re
vesentlige- En slik
¡uå derf or nØye overveies.
Det forhold at Ieiromdannede bergrarter gj erne har en
scerdeles nøy pakningstetthet samt en rløy konsolidering,
bI-a. på grunn av interne residualbindinger mellom mineraler i bergarten, bør også tas med når konsolideringen
kx, skal vurderes.
EVENTUELLE TILLEGGSLASTER
I tilleggr tiI en svellebelastning
en gravitasjonslast å ta hånd omog betongsprøyting På stuff kan
faII betongen ikke brister, angis
B
2
t
kan man i hengen også få
Under moderate bergtrYkk
denne gravitasjonslast i
ved en størrelse På
.Yr
a
Bt er bredden- av det tvilsomt stabile, sterkt oppknuste
48' Y. er fjellets
i hengen, se figur
tjellparti
meIlom bredden av det
densitet. qJ "r et forholdstall
ustabile parti og den rnidLere tykkelse av dette, dvs' et
som først og fremst rnå vurderes på stedet ut
forholdstall
og struktur, eller om man vil ut fra
fra friksjonsvinkler
stikkenes mineralbelegg og orientering'
I fall det sPrøytebetongsikres, kan a for talksoner være
under 2- I sleppetog og ved sv@rt glatte glidespeil med
soner ' kan a ofte
ugunstige orienteringer i Ieirfattige
ved vanlige enkle
være ned mot 4. Den viI irnidlertid
soner sjelden vcere under 6 - Ofte kan man også
Ieirrike
34. 19
regne med at det som kan gi gravitasjonslaster stort sett
er lçommet ut under sprengninqen- Ved utstøpninger rnå man
vanligvis regne med lavere verdier for a-
Den samlede last som en sprøytebetongsikring utført
stuff skal ta i hengen kan derfor uttrykkes slik:
på
y.* X(Ps- Bf )
Ftot.r
Videre kan det maksimale trykk Iangs den sentrale deI av
Ieirsonen i hengen tilnærmet settes til:
Ps (max)
,
.j P
s
S
I
+
zBt
- "lr
a
KR INGSVT.JRDER I NGER
es at både belastningen og det
g rimetig nøYaktig bestemmefor anvendbarheten at ikke
elt sammen ved en overbelastlstand kan deforneres noe uten
å kollapse fullstendig.
Ved en hesteskoformet støp utført på stuff får betongen i
rnindre spalte mot
en større eller
hengen vanligvis
der
svelletrykket
f jell-et - Dette reduserer vanligvis
betydelig. Men det fører ofte tiI at gravitasjonslasten
som med t iden kommer på betongen bI ir større enn ved
sprøytebetong. I vederlagene og tiI dels i veggene trykkes
og belastningsforholdene ved
derirnot betongen mot fjeIlet,
34.20
de to sikringsmetoder blir noe mer Iike- Det disse Partier
kan tåIe av belastning og deformasjon uten å brYte helt
sammen, êr imidlertid klart forskjelfig.
Ved utstøpninger uten innspenning i såIen får man ved en
for sterk sveLl ing vanligvis en rissdannelse oPpe vecl
vederlaget og den største deformasjon og avspenning ved
sålen. ved god innspenning i såIen får man derirnot bukling
og brudd både oppe ved vederlaget og midt i veggen. hvilket
gir noe større fare for en fullstendig kollaps' Ved stor
linecer svelling og høyt svelletrykk, hvor utstøpning og
innspenning i såIen er nødvendig, er det derfor også
vesentlig at man får en god hvelvvirkning i veggene mellom
heng og såIe. Ved et sirkulært boret eIIer sprengt profil
kan man i så faII spare betong i veggene- Driftsmåten og
det ønskede endelig tverrprofil er inidlertid avgjørende
f or hva so,m er Iønnsomt Styrken på konstruksjonen bestemmes ut fra konstruksjonens
form, bêtongens tykkelse og kvalitet samt den armering man
nåtte finne det nødvendig å bruke'
som først
fjellet
og fremst er utslagsgivende for hva den kan tåIe av last
før den svikter- I faII man pga. svelling får avskalling
har betongen Iiten hvelvvirkning, og konstrukfra fjeIIet,
sjonen brYter lett helt sammen.
For sprø1'tebetong er det heftstyrken tiI
For vanlig sprøytebetonç¡ som er fra 6 - I0 cm tykk kan man
i henhold tiI J. Holmgren sette bereevnen pr. lm sone til
og d er
fjell
2on-d, hvor oh er heftstyrken tiI
forholdet mell-om rinjelast og heftstyrke ved brudd' Dette
har vist seg å være en tilnærmet konstant størrelse på
3 - 3,5 cm.
34
.2L
Størrelsen av hef tstyrken kan om ønskelig rnåIes - I henho 1d
til T- Hahn's arbeider kan den også grovt anslås i forhold
tiI petrografi og eksponert struktur.
I,8 MPa oppnås vanligvis på friske
heftstyrke på I,1
og rene bruddflater utenom foliasjonsflater i våre sterke
eruptive og metamorfe bergarter. Lavest er den i rene
kvarts- og/eIler feltspatbergarter. I skifre og andre
bIøte bergarter kan den gå ned t i1 under 0 , 5 MPa - På
foliasjonsflater og lagflater med veI orientert glirnmer og
kloritt kan også heftstyrken i de sterke bergarter gå ned
i 0,5 MPa. På tilsvarende flater i leirskifre, leirstein
og Iiknende typiske svake bergarter kan den vaere på
O,2 MPa. SerIig lav kan den vcere i kfeberstein- På
O,l
tektoniske bruddflater med belegg av Ieire eIIer talk kan
den være nær null.
God
med aåifig heftstyrke pga. glidespeil,
oftest
og lagflater kan inidlertid
kompenseres med bolter og innsprøytet armering. Likeledes
kan Sprøytebetong som nevnt generelt forsterkes ved
armering, bolter og en større betongtykkelse idet da
betongbruddstyrken kan gjøres mer utslagsgivende enn
heftstyrken. Samtidiq kan også belastningen ofte reduseres
ved lange bolter- Mer rnulighet for svelling og avspenning
av Ieira før en belastning mobiliseres, gir denne
sikringsform irnidlertid ikke-
Lokale partier
foliasjonsflater
Ved skvising, eventuelt kornbinert med svelling kan en slik
forsterket sprøytebetongplate nyttes som en deformerbar
midlertidig fremdriftssikring for å redusere belastning på
en endelig utstøpning, idet den holder massen samnen
gir en viss motlast- Ved store radielle skvisingdeforma-
og
34-22
sjoner viI dette kunne gi en bedre beskyttelse enn
rnidlertidig hesteskofornet utstøpning på stuff-
en
DEN LINEÆRE SVELLING
SkaI nan for en Ieirsone i fjellet beregne den linecere
svelling ved en gitt notlast, kreves forsøk i en siIoceIIe
hvor sonens geometri og spenningssituasjon kan etterliknes.
Likesorn ved avlastningsforsøk må nan også her se bort fra
de kunstige, hurtige første deformasjoner som skyldes
prøvens preparering og kornprirnering, dvs - def ormas joner
som i Iiten grad finnes i en sone i fjellet-
rìr
f,
,lh'
,
I
Fig-
5:
Lineer svel'leutvidelse med siloforsøk i t
av lateral åpning som funksjon av konsolideringstrykket uniler mottrykk 0,I MPa-
34-23
Figur 5 viser noen resultater fra siloforsøk hvor motlasten
har vært konstant Iik 0,I MPa og konsolideringstrykk og
leirtype har variert. De forteller at den Iineere svelling
stoppes av den silovirkning som
fra soner i fjellet
oppstår, dvs. av den restskjerfasthet materialet beholder
i økende grad innover i sonen- Leirtypen, dens forkonsolidering og selvsagt den motlast man nytter er bestemmende
for størrelsen av den deformasjon man oppnår. Den lineære
ikke med
svelling for et materiale Øker inidlertid
konsolideringen fra en viss konsolideringsgrad.
Denne konsolideringrsgrense Øker sterkt
med materialets
svelleevne, dvs rned Sb- Ved lavere konsolidering avtar
den lineere svelling etterhvert mot nul1 med konsolideringsgraden- Både Ieirtypen og dens konsolider ingsgrad
under en viss qrense er med andre ord sterkt utslagsgivende for størrelsen av den Iineære sveIIing.
SiloforsØk krever en spesiell apparatur, og er både
vanskelige og tidkrevende. Sammenholder man imidlertid
resultatene fra forsØkene i siloceIIe og ødometer kan man
empirisk sette opp en tilnærrnet formel for en sones Iineere
svelling ved visse konsolideringer og en fast lav motlast.
For et mottrykk på 0,I MPa får man f -eks. for et konsolideringstrykk (k) på mellom 3 og 5 MPa følgende uttrykk for
Iineær svelling i en sone:
L=
Bt
I00
I00
Stigerkfra3-5
og faktor y fra t
MPa, Øker faktor x Iineert
2.
fra 0,4 - I
34-24
Dette gir muligheter for grove vurderinger under de mest
vanlige aktuelle mottrykk og konsolideringsgrader ' For
eksempel kan det v@re aktuelt ved Iøftning av usikret
så1e, utvidelse bak sikringer med fendrende melIomlegg,
ettersikringer .av skadete fremdriftssikringer og til dels
for sikringer som utføres bak stuff, dvs. hvor den mulige
ekspansjon kan v@re ønskelig å få vurdert i forhold tiI
den inntrufne-
SLUTTBEMERKNTNGER
t)
\
Forsøksbetingelsene og fremgangsmåten ved bestemmelse av
belastninger fra Ieirsoner samsvarer i hoverltrekk med de
forhold man har i en tunnel. Metoden er derfor sikrere enn
de tidligere benyttede skjønnsavhengige klassifiseringsmete€er ved valg av sikringsmetode- Etterreg'ninger på
skadete sikringer har også så Iangt slike har vært mulige
å gjennomføre, gitt gode overensstemmelser med de régistrerte forhold-
i vesentlig grad behovet for skjønnsvurder inger av de rnedvirkende faktorer og deres samlede
resultat. Anvendt på de aktuelle Ieirsonetyper i et anlegg
kan den gi et sikrere grunnlag for de nødvendige Ippende'
mer skjø,nnsmessige sikringsvurderinger av Ieirsonene' Den
reduserer også nødvendigheten av å ha oPparbeidet seçI sitt
eget erfaringsgrunnlag-
Metoden reduserer
Laboratoriearbeidet for en prøve blir ikke mer omfattende
enn ved t idI igere nøYere undersøkelser av Ieirsoner,
snareremindre- APParaturen som trengs er konvensjonell og
finnes nær sagt ved et hvert r imel ig godt utstyrt
34 .25
geoteknisk laboratorium.
SkaI irnidlertid metoden gi rirnelig holdbare resultater, rnå
feltobservasjonene av BI, Bt og prøvetakingen 9jøres
langt mer omsorgsfullt og nøyaktig enn hva tidligere har
vært vanlig. Slurves det med dette, kan resultatet lett
bIi misvisende- Vesentlig er det også at man kjenner
tunnelprofilets størreIse, topografien og overlagringen,
vannforhold og visse hovedtrekk
samt frendriftssikri*g,
når det gjelder bergartene i anlegget. viI man bygge inn i
formlene en ekstra sikkerhetsfaktor, er det også full
anledning t i1 dette - Beregningsmodel Ien er irnidlert id i
prinsippet konservativ-
REFERANSER
S- G. 4., HAHN, T- og HOLMGREN, J. (1980):
"Om fättprovning av sprutbetongs vidhãftning mot berg:".
Fortif ikas jonsförvaltningen, Stockholm.
BERG'MAN,
T. L. (1965): "On the Measurement of the Relative
Potent iaI SweI labil ity of Hydrot ermal Montmor i IIoníte
CIay from Joints and Faults in Precambrian and Paleozoic
Rock in Norhray".
Journal of Rock Mechanics and Mining
International
Sciences. VoI 2- pp 155-Ì65, Pergamon Press-
BREKKE,
G-, MAHAR, J. W. og PÀRKER, H- V{(I979): "Structural Behavior of Thin Shotcrete Liners
obtained from Large scale Tests". AGI pubI. SP-54 (USÀ)
FERNANDEZ-DELGADO,
34 .26
mot olika
HAHN, T- (I978): "sprutbetongs vidhäftning
Stockholm'
bergytor"- Bergmekanikkdag 1978' BeFo'
HOLMGREN,JONAS(1979):"Punch-Ioadedshotcreteliningson
hardrock,,.SwedishRockMechanicsRese¿rchFundation
BeFo
-
LILLEVIK, S- G' (I9BI): "silovirkning
Hovedoppgave ved NTH (upublisert)'
i svelleleirsoner" '
på grund av sväIIera i
REINIUS, E- (1973): 'Bergspenningar
bergsprickor'.stifte]-senBergtekniskForskninq.BeFo.
K- (l-973 ): "svelleegenskaper hos leirsoner
fjeIl,,.AvhandIingfordr.ing.graden,NTH(upublisert).
ROKOENGEN,
i
i vanntunneler" '
A' (19BI): "Langtidsstabilitet
Avhandlingfordr.ing.graden,NTH(upublisert).
THIDEMANN,