Laboratorieutdragningstester på helt ingjutna bergbultar och kabelbultar: resultat och lärdomar

Abstrakt:

Laboratorietester utfördes på följande bergbultar och kabelbultar: armeringsjärn, släta stålstänger, glasfiberarmerade polymergängade bultar, flexibla kabelbultar, IR5/IN specialkabelbultar och Mini-cage kabelbultar. Diametern på de testade bultarna var mellan 16 mm och 26 mm. Bultarna injekterades i ett sandstensprov med harts- eller cementbruk. Testerna utfördes under antingen konstant radiell styvhet eller konstant begränsande tryckgränsförhållanden applicerade på den yttre ytan av stenprovet. I de flesta tester var förskjutningshastigheten cirka 0,02 mm/s. Testerna utfördes med hjälp av en utdragbar bänk som gör det möjligt att testa ett brett spektrum av parametrar. Denna uppsats tillhandahåller en omfattande databas med laboratorieutdragningstestresultat och bekräftar inverkan av inneslutningstrycket och inbäddningslängden på utdragningsresponsen (bergbultar och kabelbultar). Det belyser också resultatens känslighet för driftsförhållandena och för provets beteende som helhet, vilket inte kan försummas när testresultaten används för att bedöma bult-injekteringsbruket eller gränsytan mellan injekteringsbruk och berg.

Introduktion

Helt ingjutna bergbultar och kabelbultar är två förstärkningstekniker som ofta används inom anläggnings- och gruvteknik. Dessa stödsystem kombinerar effektivitet, flexibilitet, enkel installation och låg kostnad (Stillborg, 1994; Fine, 1998). På grund av dessa tillgångar används de flitigt i tunnelbanan för att förbättra säkerheten längs vägar och stora öppningar.

Generellt sett består en bergbult eller kabelbult av en stång som förs in i ett borrhål som borras i en jord- eller bergmassa och förankras till den med hjälp av en fixtur (Windsor, 1992; Windsor och Thompson, 1996). Fullt ingjutna bultar består av fyra element: stången, den omgivande marken, den invändiga fixturen till borrhålsväggen och den externa fixturen till schaktytan. Det huvudsakliga kännetecknet för helt ingjutna bultar är att de endast ger stödåtgärder om den omgivande marken försöker deformeras; sålunda är de passiva förstärkningssystem (Tincelin och Fine, 1991).

Världsomfattande erfarenhet tyder på att fel på helt ingjutna bultar troligtvis inträffar vid gränssnittet mellan bult och injekteringsbruk, med hjälp av en avbindningsprocess som startar om den axiella kraften på stången överstiger ett kritiskt värde och sedan fortplantar sig längs gränsytan (Goris, 1990; Hyett et al., 1992, 1995; Kaiser et al., 1992; Stillborg, 1994; Li och Stillborg, 1999; Moosavi et al., 2005). Analytiska lösningar för avbindningsprocessen föreslogs nyligen (t.ex. Li och Stillborg, 1999; Ren et al., 2010; Blanco-Martín et al., 2011). Dessa lösningar tar dock inte uttryckligen hänsyn till gränssnittets normala beteende. Med stöd av Europeiska kommissionens forskningsfond för kol och stål (RFCS) designades och kalibrerades en ny utdragbar bänk inom ramen för PROSAFECOAL-programmet (Papamichalis et al., 2010) för att få mer insikt i svaret från helt ingjutna bultar (axiell och normal riktning). Denna bänk, beskriven i Blanco-Martín (2012) och Blanco-Martín et al. (2013, 2016), gör det möjligt att testa flera bultar och undersöka inverkan av en mängd olika parametrar, såsom begränsningstrycket, ingjutningslängden, grovheten hos borrhålsväggen eller tjockleken på injekteringsbrukets ringform. Dessutom kan brott vid bult-injekteringsbruket eller gränssnittet mellan injekteringsbruk och berg studeras. Blanco-Martín et al. (2013) föreslog en procedur för att bedöma gränssnittet mellan bult och injekteringsbruk utifrån experimentella resultat och teoretiska överväganden, och föreslog en semi-empirisk formulering av gränssnittsbeteendet (axiell och normal riktning) för armeringsjärn och glasfiberarmerad polymer. (FRP) bergbultar.

När mineraltillgångarna minskar i Europa söker gruvbolagen djupare under jorden för att möta kundernas behov och upprätthålla sin verksamhet. På stora djup är spänningarna högre och stödsystemen måste intensifieras. I detta sammanhang har en ny utdragbar laboratorieuppställning genomförts inom ramen för forskningsprogrammet RFCS AMSSTED (Hadj-Hassen et al., 2015). I denna uppsättning har ett stort antal bulttyper testats, och uppmärksamheten har fokuserats på påverkan av inneslutningstrycket och inbäddningslängden, eftersom det tidigare har visats att dessa parametrar har en stark effekt på utdragningsresponsen (Benmokrane et al., 1995; Hyett et al., 1995; Moosavi et al., 2005; Blanco-Martín et al., 2013). Dessutom har utförandet av testerna visat att utdragningsresultaten är mycket känsliga för driftsförhållandena och gensvaret från provet som helhet (till exempel påverkar skador på bergprovet markant den uppmätta utdragningsresponsen). Femtiotvå tester på bergbultar och trettiotvå tester på kabelbultar har genomförts och de viktigaste resultaten presenteras här.

Denna uppsats är organiserad enligt följande. Först beskriver vi den experimentella bänken som används i laboratorieskala och uppställningen utformad för att förhindra lossning vid testning av kabelbultar. Sedan presenterar vi provberedningsproceduren, såväl som huvudegenskaperna hos bultarna, injekteringsmaterialen och bergarten som används för att förbereda proverna. Senare presenteras de huvudsakliga resultaten som erhållits för bergbultar, följt av resultaten för kabelbultar. För en given bulttyp och dimensioner jämför våra resultat väl med tidigare undersökningar (Benmokrane et al., 1995; Hyett et al., 1995; Moosavi et al., 2005; Ivanovic och Neilson, 2009). De experimentella data som presenteras här utökar den tillgängliga databasen med utdragningstestresultat och kan användas både som en teknisk referens under de specificerade förhållandena och som ett sätt att jämföra modellförutsägelser (som inkluderar driftsförhållanden och provkomponenter och beteende ) och laboratorieskala data.

Slutsatser

Detta dokument presenterar utdragningstestresultat utförda i laboratorieskala på tre typer av bergbultar och tre typer av kabelbultar. Varje bult har testats med olika inbäddningslängder och begränsande tryck. Harts och cement har använts som injekteringsmaterial och i samtliga fall har bultarna fogats till ett sandstensprov. Testerna har utförts med en utdragbar bänk som gör det möjligt att testa ett brett spektrum av parametrar. Konstant inneslutning eller konstant radiell styvhet har använts som gränsvillkor. Den presenterade studien har utförts under statiska förhållanden, och dess huvudsakliga mål är att undersöka avbindning vid bultgrout-gränssnittet.

Experimentella resultat visar att gränssnittsvidhäftning, friktion och mekanisk förregling (gängade stänger) bidrar till bindningen mellan bult och injekteringsbruk. Jämförelsen mellan utdragningsresultat av släta och gängade bultar visar tydligt att bultprofilen spelar en viktig roll: inte bara den maximala belastningen är större för gängade bultar, utan även eftertoppfasen visar en mer gradvis kraftminskning. Dessutom återspeglas bultprofilen i svängningarna som mäts i eftertoppfasen, vars periodicitet matchar fördjupningarna i den testade stången.

Resultaten för HA25 och FRP gängade bultar visar överlag liknande trender, med en styv, kvasilinjär förtoppfas, följt av ett styvhetsfall, en maximal kraft och slutligen en eftertoppfas där den axiella kraften minskar mot en rest värde, mycket lägre än toppkraften. Beroende på begränsningstrycket uppstår svängningar på lasten enligt bultprofilen; dessa svängningar är mindre tydliga för höga tryck, för vilka injekteringsbruket mellan bultskillnaderna klipps. Driftförhållandena i radiell riktning påverkar både den radiella och den axiella responsen. I den nuvarande bänkkonfigurationen är fördelen med att använda konstanta radiella styvhetsförhållanden att den begränsande tryckvariationen kan användas för att uppskatta den radiella förskjutningen. Resultaten som erhållits för kabelbultar är också konsekventa och visar liknande trender som bergbultar, med det axiella last-förskjutningsförhållandet som visar fyra olika faser, och bultprofilen och geometrin observeras i eftertoppfasen. De erhållna resultaten för bergbultar och kabelbultar visar dock viktiga skillnader i eftertoppfasen, med en mycket brantare belastningsminskning när det gäller bergbultar. Två troliga orsaker till denna skillnad är stångtypen (solid mot initialt tvinnade ledningar) och bultprofilen (geometrin för fördjupningarna).

När det gäller Mini-cage-kabelbultarna inducerade deras profil allvarliga skador på bergprovet. När det gäller IR5/IN-bultarna var utdragningsresultaten mycket känsliga för konfigurationen i den fria änden. Dessa resultat, tillsammans med den radiella sprickbildning som ofta inträffar vid låga begränsningstryck (bergbultar och kabelbultar), belyser svårigheten att bedöma gränssnittsbeteendet mellan bult och injekteringsbruk utifrån rå utdragsdata, och även vikten av att ta itu med beteendet hos provet som helhet innan man fokuserar på gränssnittet. För att studera gränssnittsresponsen noggrant bör bänkkonfigurationen hållas så enkel som möjligt för att minska osäkerheten i mätningarna och underliggande processer (sprickbildning, bergreaktion, bänkkalibrering, etc.).

Resultaten som presenteras överensstämmer med tidigare utdragningstestresultat på liknande bergbultar och kabelbultar och ger en omfattande databas med resultat i laboratorieskala, med fokus på inverkan av det inneslutande trycket och inbäddningslängden på utdragningsresponsen hos helt ingjutna bultar. Dessa data kan användas både som en teknisk referens under de specificerade förhållandena, och som ett sätt att jämföra mellan modellförutsägelser (som inkluderar driftsförhållanden och provkomponenter och beteende) och data i laboratorieskala.