I hårt kristallint berg är kunskap om bergssprickors skjuvhållfasthet avgörande för att kunna prediktera bergmassans beteende och dimensionera bergförstärkning med acceptabel säkerhet. Två olika belastningssituationer existerar som är avgörande för bergssprickors skjuvhållfasthet under skjuvning: konstant normalbelastning (CNL) och konstant normalstyvhet (CNS).
Huvudsaklig forskarorganisation: Kungliga tekniska högskola
Forskningsområde: Undersökning och karakterisering under planering, genomförande och drift
Doktorandprojekt, Huvudhandledare: Fredrik Johansson
Projektstart: 2024
Finansiering: 1 973 000 kr
I hårt kristallint berg är kunskap om bergssprickors skjuvhållfasthet avgörande för att kunna prediktera bergmassans beteende och dimensionera bergförstärkning med acceptabel säkerhet. Exempel på potentiella brottmoder där skjuvhållfastheten utgör en kritisk parameter är vid analys av släntstabilitet, glidstabilitet för dammar och analys av blockstabilitet i tunnlar och bergrum. Att prediktera en sprickas skjuvhållfasthet är emellertid svårt och associerad med stora osäkerheter då flera faktorer samverkar såsom normalbelastning, sprickytans råhet, sprickytans hållfasthet, beläggning och sprickfyllnadsmaterial samt vilken typ av bergart som det intakta berget består av.
För att ytterligare komplicera bilden existerar det också två olika belastningssituationer som är avgörande för bergssprickors skjuvhållfasthet under skjuvning: konstant normalbelastning (CNL) och konstant normalstyvhet (CNS). Konstant normalbelastning råder när överliggande belastning är konstant såsom vid skjuvning av en spricka vid glidning av en betongdamm eller i en bergsslänt. Konstant normalstyvhet råder när skjuvning av en spricka sker i en bergmassa omkring en tunnel eller ett bergrum på större djup, där berget inte kan ”lyftas”. Istället kommer bergmassans styvhet att mobilisera en ökad normalbelastning när sprickan dilaterar (öppnar sig), vilket därmed genererar en ökad skjuvhållfasthet. Samtidigt kommer den ökade normalbelastningen att leda till att dilatationen undertrycks och att dilatationsvinkeln och även friktionsvinkeln därmed blir ickelinjär med skjuvdeformationen. Den principiella skillnaden i skjuvhållfasthet mellan dessa båda fall framgår av Figur 1. Trots det ickelinjära beteendet hos dilatationsvinkeln modelleras skjuvhållfastheten för sprickor i numeriska modelleringar vanligtvis med ett Mohr-Coulomb brottkriterium där dilatationsvinkeln inte beaktas eller sätts till ett konstant värde. Orsaken till detta är att det i stor utsträckning saknas kunskap hur dilatationsvinkeln förändras under olika förhållanden.
Sedan 2017 har BeFo deltagit i forksning med syfte att experimentellt undersöka bergsprickors mekaniska egenskaper under CNL och CNS förhållanden. Totalt har 46 skjuvförsök genomförts på naturliga och draginducerade bergsprickor i tre olika provstorlekar, 35×60 mm, 70×100 mm och 300×500 mm. Av dessa 46 prov genomfördes samtliga under en initial normalbelastning på 5 MPa under både CNL (5 MPa konstant) och CNS (10 MPa/mm) förhållanden. Resultaten från dessa skjuvförsök skapar en unik möjlighet att undersöka hur väl befintliga konstitutiva modeller för CNL och CNS förhållanden kan prediktera skjuvhållfastheten i kristallint hårt berg och resultaten kan även användas för att validera en nyutvecklad konstitutiv modell.
Det övergripande syftet med studien som är en del av ett doktorandprojekt vid Kungliga tekniska högskolan är att förbättra möjligheterna att prediktera skjuvhållfastheten för bergsprickor i kristallint, hårt berg under konstanta styvhetsförhållanden (CNS). De specifika forskningsfrågorna som avses studeras under denna etapp är följande:
- Hur implementeras den nyutvecklade konstitutiva modellen i diskreta numeriska beräkningar där sprickplanen betraktas explicit?
- Vilka är begräsningarna i befintliga modeller för prediktion av skjuvhållfastheten i hårt, kristallint berg under konstanta styvhetsförhållanden (CNS) och hur stort blir felet?
- Hur ska en konstitutiv modell för konstanta styvhetsförhållanden (CNS) byggas upp för att kunna beakta samverkan mellan passning, råhet, sprickytan hållfasthet och normalspänning?
Deltagare
I arbetsgruppen ingår Fredrik Johansson, Diego Mas Ivars, Liangchao Zou, Abel Sanchez Juncal, och studien stöds av en referensgrupp bestående av Francisco Rios Bayona, Åsa Fransson, Axel Bohlin, Thomas Wettainen, och Patrik Vidstrand.