Bergspänningsmätningar på litet djup

Full text

(1)2005:246 CIV. EXAMENSARBETE. Bergspänningsmätningar på litet djup. Sofi Berg. Luleå tekniska universitet Civilingenjörsprogrammet Väg- och vattenbyggnadsteknik Institutionen för Samhällsbyggnad Avdelningen för Bergmekanik 2005:246 CIV - ISSN: 1402-1617 - ISRN: LTU-EX--05/246--SE.

(2) Förord Som en avslutande del i civilingenjörsutbildningen Väg- och vattenbyggnadsteknik vid Luleå tekniska universitet ingår att göra ett examensarbete omfattande 20 högskolepoäng. Denna rapport är resultatet av mitt examensarbete. Arbetet har utförts för att öka kunskaperna om ytliga bergspänningar och bergspänningsmätningar. Examensarbetet har genomförts på uppdrag av Banverket HK i Borlänge och har utförts under 2004 och 2005 på Avdelningen för bergmekanik vid Institutionen för Samhällsbyggnad. Jag vill härmed tacka Peter Lundmark, Banverket för att jag fick förtroendet att genomföra examensarbetet. Jag vill också tacka Jonny Sjöberg, SwedPower, som har handlett mig med stort engagemang och för all granskning av rapporten. Tack även till Professor Erling Nordlund som har varit examinator och tack alla ni andra på bergmekanikavdelningen för hjälp jag fått. Jag vill också tacka alla andra som på ett eller annat sätt har bidragit till mitt arbete. Slutligen vill jag ge en stor kram till min sambo för allt stöd och uppmuntran jag fått.. Luleå, augusti 2005 Sofi Berg. i.

(3) Sammanfattning Vid dimensionering av underjordskonstruktioner och vid stabilitetsberäkningar är det viktigt att veta det primära spänningstillståndet eftersom det påverkar spänningsfördelningen och storleken på spänningarna runt den underjordiska öppningen. Det vanligaste sättet att mäta spänningar är genom borrhål från markytan med metoderna överborrning eller hydraulisk spräckning. Dessa metoder är relativt dyra att utföra samtidigt som det inte är klarlagt om resultaten är representativa vid ytlig bergtäckning. Syftet med det här examensarbetet har därför varit att öka kunskaperna om ytliga bergspänningar och om alternativa metoder att mäta dessa med. Målen med examensarbetet har varit att (i) utvärdera ytliga bergspänningsmätningar från tidigare utförda överborrningar i Sverige, (ii) beskriva olika typer av avlastningsmetoder, (iii) göra en analys av ytliga bergmassor med avseende på mätbarhet för att kunna avgöra om metoderna är representativa för ytliga bergspänningsmätningar, (iv) ta fram detaljerade instruktioner för ett framtida fältförsök med den avlastningsmetod som anses lämpligast baserat på denna studie. Arbetet inkluderade en litteraturstudie av olika ytliga avlastningsmetoder för att mäta bergspänningar, varav ett antal metoder valdes ut för ytterligare studier. Metodernas lämplighet för att användas på ett typiskt svenskt berg analyserades. Resultatet från överborrningar i Sverige sammanställdes och utvärderades för att bedöma vilka spänningar som är typiska för ytliga djup och om de skiljer sig markant från de på större djup. Vidare analyserades ett antal faktorer med numerisk analys i dataprogrammet UDEC för att se hur dessa påverkade spänningarna i olika modeller. Med detta som grund togs ett förslag fram till detaljerade instruktioner för ett eventuellt fältförsök med en ytlig avlastningsmetod. Baserat på denna studie har följande slutsatser kunnat dras: •. Det finns ett ökat behov av att utföra bergspänningsmätningar vid ytliga bergmassor. Sammanställningen av resultat från överborrningsmätningarna visar att en approximering utifrån den regressionslinje som beskrivits av Stephansson (1993) inte ger ett gott resultat.. •. Det är representativt att mäta på markytan för spänningar på litet djup då berget består av enstaka horisontella sprickor eller bankningsplan enligt de numeriska analyserna som utförts i UDEC. Vid helt söndersprucket berg är mätningar på markytan svåra att utföra eftersom spänningarna i sådant fall är noll eller mycket nära noll. Styvhetsskillnader i berget påverkar spänningarna och har större betydelse än enskilda sprickor för resultatet.. ii.

(4) •. Block- och slitssågning anses vara lämpliga metoder för ytliga bergspänningsmätningar eftersom dessa är enkla att utföra praktiskt. Töjningarna som uppstår vid friläggning av blocket beräknas enkelt om till spänningar i horisontalplanet.. •. För fortsatta studier rekommenderas ett fältförsök med blocksågningsmetoden, kombinerat med slitssågning.. iii.

(5) Abstract When designing underground constructions and assessing stability it is important to know the primary stress since it affects the stress redistribution around underground excavations. The most common way to measure stress is through boreholes on the surface using the overcoring or hydraulic fracturing measurement methods. These methods are relatively expensive, at the same time as it may be questioned whether the results are representative for shallow-seated constructions. The purpose of this thesis was to increase the knowledge on stresses at shallow depths and alternative methods for measuring them. The objectives of this thesis was to (i) evaluate shallow rock stress measurements from previously made overcoring in Sweden, (ii) describe different types of surface relief methods, (iii) analyse the stress state for near surface rock masses to assess the measurability and representativity of shallow stress measurements, and (iv) develop detailed instructions for a future field test using the relief method found most suitable in this thesis. The work included a literature study of different types of relief methods for measuring rock stresses, out of which a number of methods were chosen for further studies. An analysis of the methods’ suitable for typical Swedish rock was made. Results from overcoring measurements in Sweden were compiled and evaluated to determine which stresses are typical for shallow surface rock and if they significantly differ from those at larger depths. Furthermore, a number of factors were analysed using numerical analysis and the computer code UDEC to study how these affected stress in different models. Using this as a basis a proposal with detailed instructions for a possible field test with a surface relief method was developed. Based on this study the following conclusions could be drawn: •. There is a growing need to carry out measurements of rock stresses at shallow depths. The compilation of results from the overcoring data showed that an approximation based on the line of regression described by Stephansson (1993) may lead to highly erroneous results.. •. Measurement of stresses at shallow depths or on the ground surface may produce representative results for the case when the rock comprise a few horizontal joints, as verified by the numerical analysis conducted using UDEC. For the case when the rock is heavily jointed, measurements from the surface are difficult to perform and evaluate since the stresses in those cases are zero or close to zero. Variations in stiffness of the rock have a greater effect on the result and affect the stress magnitudes more extensively than the presence of single joints in the rock mass.. iv.

(6) •. Block tests (isolation of a square block from it surroundings) or slotting is considered to be suitable methods for measuring shallow stresses since these are easy to carry out from a practical point of view. Deformations that arise from the relieved section can simply be recalculated to the stress state in the horizontal plane.. •. For future studies, a field test using the isolation of a square block method in combination with one slot is recommended.. v.

(7) Innehållsförteckning Förord. i. Sammanfattning. ii. Abstract. iv. Innehållsförteckning. vi. 1 INLEDNING. 1. 1.1 Bakgrund.................................................................................................................................................... 1 1.2 Syfte och mål .............................................................................................................................................. 2 1.3 Utförande och begränsningar .................................................................................................................... 2 2 BERGSPÄNNINGAR OCH MÄTMETODER. 4. 2.1. Bergspänningar......................................................................................................................................... 4 2.2. Bergspänningsmätningar .......................................................................................................................... 9 2.3 Överborrning............................................................................................................................................ 10 2.4 Avlastningsmetoder .................................................................................................................................. 13 2.4.1 Blocksågning .................................................................................................................................... 13 2.4.2 Avlastning med centrumhål.............................................................................................................. 16 2.4.3 ”Jacking”-metoder............................................................................................................................ 17 2.5 Beräkning av töjningen vid blocksågning ................................................................................................ 20 2.6 Beräkning av töjningen vid enkel slitssågning ......................................................................................... 23 2.7 För- och nackdelar med de olika metoderna ........................................................................................... 25 3 SAMMANSTÄLLNING OCH UTVÄRDERING AV SPÄNNINGSDATA. 26. 3.1 Inledning .................................................................................................................................................. 26 3.2 Sammanställning av mätdata ................................................................................................................... 26 3.3 Resultat och slutsats ................................................................................................................................. 40 4 ANALYS AV YTLIGA BERGMASSOR MED AVSEENDE PÅ MÄTBARHET. 42. 4.1 Inledning .................................................................................................................................................. 42 4.2 Beräkningsmetod...................................................................................................................................... 42 4.3 Modellbeskrivning, modellstorlek, randvillkor sprickor etc..................................................................... 43 4.3.1 Geometri och randvillkor.................................................................................................................. 43 4.3.2 Indata och beräkningsfall ................................................................................................................. 43 4.4 Resultat..................................................................................................................................................... 48 4.4.1 Modell 1 ........................................................................................................................................... 48 4.4.2 Modell 2 ........................................................................................................................................... 49 4.4.3 Modell 3 ........................................................................................................................................... 52 4.5 Diskussion ................................................................................................................................................ 54 5 REKOMMENDATIONER FÖR GENOMFÖRANDE AV FÄLTFÖRSÖK. 55. 5.1 Val av metod............................................................................................................................................. 55. vi.

(8) 5.2 Mätteknik.................................................................................................................................................. 55 5.3 Val av mätplats......................................................................................................................................... 55 5.4 Utförande, testprogram............................................................................................................................ 55 5.5 Diskussion ................................................................................................................................................ 57 6 SLUTSATSER. 58. REFERENSER. 59. vii.

(9) 1 INLEDNING 1.1 Bakgrund I Sverige finns idag ett ökat behov i främst storstadsområden att använda underjordskonstruktioner till väg- och järnvägstunnlar, parkeringshus och andra typer av förvaringsutrymmen. För att finna praktiska lösningar då flertalet äldre tunnlar och underjordskonstruktioner tar upp mycket av utrymmet blir det ofta aktuellt att bygga de nya konstruktionerna nära markytan och med liten bergtäckning. Vid dimensionering av underjordskonstruktioner och vid stabilitetsberäkningar är det viktigt att veta det primära spänningstillståndet eftersom det påverkar spänningsfördelningen och storleken på spänningarna runt den underjordiska öppningen. Med kännedom om spänningarna som råder i berget innan brytningen kan en så gynnsam layout som möjligt väljas för att minska stabilitetsproblem och för att minimera eventuella förstärkningsåtgärder. Spänningstillståndet som råder nära markytan är ofta inte lika känt som det som råder på större djup. Spänningar nära markytan uppskattas ofta genom att mätdata från stora djup extrapoleras och uppskattningen av de ytliga spänningarna kan därmed bli mycket grov. Det kan i sin tur leda till stora omkostnader vid byggprojekt då exempelvis förstärkningskostnaderna kan bli mycket högre om spänningarna inte alls motsvarar de uppskattade som användes under projekteringen. Det vanligaste sättet att mäta spänningar är genom borrhål från markytan med metoderna överborrning eller hydraulisk spräckning. Dessa metoder är relativt dyra att utföra samtidigt som det inte är klarlagt om resultaten är representativa vid ytlig bergtäckning. Under tidigt 1900-tal gjordes flera försök med olika ytliga avlastningsmetoder runt om i världen, dock inte i någon större utsträckning i Sverige. De ytliga avlastningsmetoderna kallas i Sverige enbart för avlastningsmetoder och är en typ av metoder där spänningsmätningen sker mot en fri yta, antingen markytan eller exempelvis en tunnelvägg. Det kan finnas praktiska fördelar med att använda en avlastningsmetod och utförandet är antagligen mindre kostsamt. Det är dock inte fastställt huruvida dessa metoder fungerar på uppsprucket, ytnära berg och om de uppmätta värdena är representativa för spänningsfältet i en större volym.. 1.

(10) 1.2 Syfte och mål Syftet med examensarbetet är att öka kunskaperna om ytliga bergspänningar och om alternativa metoder att mäta dessa med. Målen med examensarbetet är att: – Sammanställa och utvärdera ytliga bergspänningsmätningar från tidigare utförda överborrningar i Sverige. – Beskriva olika typer av avlastningsmetoder och deras begränsningar och möjliga tillämpningsområden. Metodernas för- och nackdelar ska också beskrivas. – Göra en analys av ytliga bergmassor med avseende på mätbarhet för att kunna avgöra om metoderna är lämpliga i detta fall. Detta utförs med hjälp av dataprogrammet UDEC. – Ta fram detaljerade instruktioner för ett framtida fältförsök med den metod som anses lämpligast baserat på denna studie. 1.3 Utförande och begränsningar Arbetet inkluderade en litteraturstudie av olika ytliga avlastningsmetoder för att mäta bergspänningar. Ett antal metoder valdes ut för ytterligare studier, vilka beskrivs i kapitel 2. Metodernas lämplighet för att användas på ett typiskt svenskt berg analyserades. Examensarbetet begränsades till att undersöka de mätmetoder som finns för att mäta det absoluta spänningstillståndet. Liknande metoder kan användas för att övervaka och mäta spänningsskillnader (de relativa spänningarna) men det ligger inte inom ramen för denna studie. Resultatet från överborrningar i Sverige sammanställdes och utvärderades för att bedöma vilka spänningar som är typiska för ytliga djup och om de skiljer sig markant från de på större djup. Sammanställningen begränsades till spänningsdata från överborrningsmätningar som är gjorda i Sverige och sammanställningen presenteras i kapitel 3. De mätningar som är utförda från markytan är gjorda med den s.k. Borre-cellen. Ytligt djup har definierats som c:a 0 – 50 m. Vidare analyserades ett antal faktorer med numerisk analys för att se hur dessa påverkade spänningarna i olika modeller. Analysen utfördes i dataprogrammet UDEC och begränsades till tre modeller där några olika, typiska, svenska bergförhållanden simulerades, vilka presenteras i kapitel 4.. 2.

(11) Med detta som grund togs ett förslag fram till detaljerade instruktioner för ett eventuellt fältförsök med en ytlig avlastningsmetod, vilket presenteras i kapitel 5. Arbetet avslutades med att slutsatser drogs och rekommendationer för fortsatta studier i ämnet gavs, vilka presenteras i kapitel 6.. 3.

(12) 2 BERGSPÄNNINGAR OCH MÄTMETODER 2.1. Bergspänningar De spänningar som existerar naturligt i en orörd bergmassa benämns primärspänningar och de som finns i en störd bergmassa, från exempelvis ett tunnelbygge, kallas sekundärspänningar. In situ-spänningar är en generell benämning på spänningarna som finns i bergmassan (Nordlund et al. 1998), och kan således vara såväl primär- som sekundärspänningar beroende på aktuella förhållanden. Primärspänningarna kan i princip ha vilken riktning som helst i bergmassan, men beskrivs vanligen med en vertikal och två horisontella spänningar eftersom de största spänningarna ofta är orienterade horisontellt-vertikalt. De brukar betecknas σv, σh respektive σH, där den vertikala är rent gravitativ medan σh och σH betecknar den minsta respektive den största spänningen i horisontalplanet. Spänningar i berg orsakas av faktorer såsom topografi, geologiska strukturer som sprickor och förkastningar, erosion, glaciala processer och tektoniska processer. Spänningsfördelningen kan vara så komplex att den lokala spänningen kan skilja sig avsevärt från medelspänningen i området. En oregelbunden topografi påverkar in situ-spänningarnas storlek och riktning så att de inte är orienterade vertikalt respektive horisontellt. Topografins påverkan är som störst nära markytan och minskar med djupet. En grov uppskattning kan göras genom att betrakta berg och dalar som tryck- respektive dragbelastningar på en slät markyta, se figur 1 och 2. a). b). Figur 1: Effekten av en oregelbunden topografi på in situ-spänningarna kan uppskattas genom att ersätta berg och dalar med linjärt varierande belastning, efter Amadei & Stephansson (1997).. 4.

(13) Figur 2: Topografins inverkan på primärspänningarna, efter Amadei & Stephansson (1997). Bergmassor är sällan helt homogena vilket påverkar in situ-spänningarnas riktning och storlek. Det kan också vara orsaken till de spridningar av spänningsdata som ofta erhålls från ytliga bergspänningsmätningar. Geologiska strukturer är speciellt av betydelse för spänningstillståndet på litet djup. En öppen diskontinuitet eller förkastning ovanför en tunnel kan orsaka en avlastad zon i taket vilket gör att en bärande båge inte kan formas (Töyrä, 2004). Vidare har jordskopan varit utsatt för tryck från inlandsisar, sedimentära bergarter och lager med sediment ofta flera kilometer tjocka. Jordskorpan har då deformerats plastiskt och anpassat sig till det rådande belastningstillståndet. När isarna smälte och berggrunden utsattes för erodering minskade de vertikala och horisontella spänningarna. De minskade dock inte lika mycket vilket resulterade i att σH är större än σv. Enligt plattektoniken består jordskorpan av ett antal stora plattor. Plattornas samverkan med varandra och med jordens mantel ger upphov till krafter mellan plattorna som antingen driver eller motverkar plattrörelser. De tektoniska krafterna delas in i två grupper: (i) krafter som uppkommer på grund av geodynamiska processer och (ii) termoelastiska krafter orsakade av avsvalning av oceanplattorna, se figur 3.. 5.

(14) Figur 3: Processer som ger upphov till tektoniska spänningar, efter Zoback et al. (1989). De tektoniska spänningarna är konstanta över områden där längden och bredden är flera gånger större än tjockleken på den elastiska litosfären. I Skandinavien är det i huvudsak de påskjutande krafterna från spridningszonen, Mittatlantiska ryggen, som bidrar till de horisontella spänningarna. I World Stress Map (WSM) Project (Reinecker et al., 2004), finns spänningsdata samlat från: – jordbävningsmekanismer (”earthquake focal mechanisms” ), – tryckbrott i borrhål och borrningsinducerade sprickor (”well bore breakouts and drilling induced fractures”), – in situ-spänningsmätningar (”in-situ stress measurements”) som t.ex. överborrning och hydraulisk spräckning, – geologisk information (“young geologic data”). Ur WSM kan regionala spänningar utläsas och den visar den maximala spänningen σH och dess orientering, se figur 4.. 6.

(15) Figur 4: Spänningsdata från Word Stress Map för Skandinavien. Längden på spänningssymbolen indikerar kvaliteten på spänningsdatan och A är av bästa sort (Reinecker et al., 2004). I de flesta fall i Sverige finns ett spänningsfält motsvarande en reversförkastning (σH > σh > σv) eller en horisontalförkastning (σH > σv > σh). Den typiska riktningen på största horisontalspänningen är NV – SÖ, vilket anses härröra från trycket av Mittatlantiska ryggen och från den afrikanska plattans kollision med Fennoskandia. För Skandinavien beskrivs ofta spänningstillståndet enligt Stephansson (1993), se ekvation (2.1) – (2.6). Dessa ekvationer baseras på regressionsanalyser från spänningsdata erhållet från hydraulisk spräckning respektive överborrning med den s.k. Leeman-metoden där z är. 7.

(16) djupet i meter under markytan. Vertikalspänningen uttrycks som den överliggande lasten, densiteten (ρ) gånger gravitation (g) och antal meters djup (z) under markytan. Hydraulisk spräckning (HF): σΗ= 2,8+0,0399z [MPa] σh= 2,2+0,0240z [MPa] σv=ρ∗g∗z [MPa]. (2.1) (2.2) (2.3). Överborrning (OC): σH= 6,7+0,0444z [MPa] σh= 0,8+0,0329z [MPa] σv=ρ∗g∗z [MPa]. (2.4) (2.5) (2.6). Uppskattning av spänningstillståndet utförs ofta utifrån mätdata som kommer från större djup. Spänningstillståndet som råder nära markytan är mer sällan mätt och rapporterat jämfört med från större djup. Spänningstillståndet som råder nära markytan är ofta komplext med antingen höga eller låga horisontalspänningar (Amadei & Stephansson 1997). Brown & Hoek (1978) har presenterat en översikt av spänningsvariationen med djupet från spänningsmätningar gjorda med hydraulisk spräckning i olika delar av världen, se figur 5. Tendensen i figur 5 är att förhållandet mellan horisontalspänningen och vertikalspänningen minskar på större djup. Förhållandet beror delvis på att de tektoniska spänningarna på litet djup utgör mer av de totala spänningarna än vad den gravitativa spänningspåverkan gör. Erosion och smältningen av landis har också haft mer påverkan närmare markytan.. 8.

(17) Figur 5: Bilden till vänster visar variationen av vertikalspänningen med djupet och bilden till höger visar förhållandet mellan medelhorisontalspänningen och vertikalspänningen med djupet (Brown & Hoek 1978). 2.2. Bergspänningsmätningar Spänningstillståndet är viktigt att veta på en plats för att kunna förutsäga hur den blivande underjordskonstruktionen kommer att bete sig. Spänningarna är med andra ord en viktig ingångsparameter vid dimensionering av konstruktionen och vid stabilitetsberäkningar. För att veta vilka spänningar som finns i berget används idag flera olika typer av mätmetoder som kan delas in i borrhålsmetoder och ytliga metoder, se tabell 1. Som namnen antyder sker mätningen i ett borrhål respektive på en yta. Till de ytliga metoderna hör avlastningsmetoder och ”jacking”-metoder medan hydraulisk spräckning är en borrhålsmetod. Det finns också två andra typer av borrhålsmetoder vilka är ”Strain recovery methods” och ”Borehole breakout”. Dessa används dock mestadels på mycket stora djup och tas därför inte med i tabellen. Tabell 1: Olika mätmetoder indelat utifrån mätprincip, efter Amadei & Stephansson (1997). Mätmetodens namn Mätprincip Typ av metod Hydraulisk spräckning Hydraulisk metod Borrhålsmetod Blocksågning/Slitssågning Avlastningsmetod Ytlig metod Avlastning med centrumhål Avlastningsmetod Ytlig metod Överborrning Avlastningsmetod Borrhålsmetod Flat jack ”Jacking”-metod Ytlig metod Curved jack ”Jacking”-metod Ytlig metod. 9.

(18) I jämförelse med andra bergsparametrar är bergspänningar en svår kvantitet att mäta, eftersom spänningen inte kan mätas direkt. Generellt innebär alla in situspänningsmätningsmetoder att berget störs på något sätt. Bergets respons på störningen mäts och analyseras. En förutsättning vid mätning av primärspänningar är att störningsprocessen av berget måste mätas på ställen långt ifrån naturliga eller artificiella öppningar. Amadei & Stephansson (1997) rekommenderar 1,5 – 2 gånger av öppningens storlek i avstånd från den underjordiska öppningen, förkastning eller från större bergmassor med heterogeniteter där störningen kommer att ske. I en del fall kan dock det störda spänningsfältet, d.v.s. sekundärspänningarna, vara av intresse, varför mätningar kan göras närmare befintliga underjordsutrymmen eller geologiska strukturer. Från ett slumpmässigt urval av mätdata från spänningsmätningar är standardavvikelsen av mätfelet enligt Leijon (1989) ± 2 MPa eller mindre. Detta är ofta tillfredställande vid bergsingenjörstillämpningar på stora djup men spänningsmagnituden på ytligt djup är ofta låg och det relativa mätfelet kan då bli mycket stort.. 2.3 Överborrning Utvecklingen av överborrningsmetoderna har varit relativt omfattande och det är idag den kanske vanligaste metoden som används för att mäta bergspänningar. Överborrningsmetoderna innebär att en fullständig avlastning av berget åstadkoms genom borrning av ett stort hål över ett pilothål. Metoderna baseras på antagandet om ett kontinuerligt, homogent, isotropt och linjärelastiskt material. Anisotropa material kan dessutom tas hänsyn till vid utvärderingen. Det finns flera typer av överborrningsmetoder såsom: • • •. • •. •. Överborrning med förtryckta celler (eng: Overcoring of prestressed cells) Överborrning med deformationsmätceller, USBM. (eng: Overcoring of deformation-type gages such as the USBM gage) Överborrning med en mätcell fäst vid den släta botten av borrhålet. (eng: Overcoring of a gage attached to the flat end of a borehole: Doorstopper and photoelastic disks) Överborrning med en CSIR triaxiell töjningscell. (eng: Overcoring of CSIR-type triaxial strain cell) Överborrning med en CSIR triaxiell töjningscell fäst vid botten av borrhålet. (eng: Overcoring of CSIR-type triaxial strain cell attached to the end of a borehole [spherical or conical cells]) Överborrning med en styv, solid eller ihålig inklusionsmätcell. (eng: Overcoring of stiff, solid or hollow inclusion-type gages.), (Amadei & Stephansson 1997).. 10.

(19) Amadei & Stephansson (1997) beskriver principen som dessa olika metoder baseras på, med hjälp av tre grundläggande steg, se figur 6.. Figur 6: De tre grundläggande stegen vid överborrning, efter Amadei & Stephansson (1997). Det första steget innebär att ett stort hål borras i berget där spänningarna sedan ska bestämmas. Håldiametern varierar mellan 60 och 200 mm beroende på var i världen testet utförs och vilken utrustning som finns tillgänglig. I Sverige är det ofta en 76 mm borrkrona som används. Det andra steget är att borra ett litet, vanligen 300 – 500 mm långt, pilothål i botten av det stora hålet. Pilothålet måste vara så långt att effekten av ändarna är försumbara och störningen av berget som det stora hålet orsakar minimeras. Pilothålet och det stora hålet måste vara så koncentriska som möjligt d.v.s. de ska helst ha samma mittpunkt. För att åstadkomma detta slätas oftast botten på det stora hålet ut innan borrningen av pilothålet och pilothålet centreras i hålet med hjälp av styranordningar. Pilothålet har vanligen en diameter på 36 – 38 mm. Därefter förs ett instrument, som kan mäta små töjningar och förskjutningar, ned i pilothålet. Det tredje steget är att överborra med den större borrhålsdiametern så att en ihålig cylinder bildas och därmed avlastas spänningarna och töjningarna i berget. Förändringar av töjningar. 11.

(20) eller förskjutningar registreras av instrumentet i pilothålet allt eftersom överborrningen sker, alternativt före och efter avslutad överborrning. En av överborrningsmetoderna, vilken även har utvecklats i Sverige, är med instrumentet Borre-cellen. Installation och mätprocedur vid överborrning med Borre-cellen visas i figur 7.. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Figur 7: Principskiss över överborrning med Borre-cellen (Sjöberg & Klasson, 2003) 1.. Borrhål, φ76 mm, renspolas efter borrning. Planslipning av borrhålsbotten.. 2.. Pilothål, φ36 mm, borras och renspolas. Pilothålskärnan tas till ytan för inspektion och förutsättningen för mätning bedöms.. 3.. Mätcellen, monterad i ett installationsverktyg, sänks ned mot pilothålet. (Cellen hålls centrerad i grovhålet m h a styranordningar på installationsverktyget.). 4.. Mätcellens främre ände med trådtöjningsgivare monterade förs in i pilothålet. Cellen frigörs från installationsverktyget via en utlösningsmekanism och de limbestrukna töjningsgivarna pressas mot pilothålets vägg m h a toppkonen. Den skyddskon som skyddar givarna under transport i borrhålet frigörs och faller ned till pilothålets botten. Utlösningsmekanismen låser samtidigt kompassen som finns i installationsverktyget så att cellens orientering i hålet registreras.. 5.. Limmet tillåts härda (normalt ca 8-12 timmar under natten). Installationsverktyget återtas ur borrhålet.. 6.. Överborrning/friborrning av mätcellen sker (φ76 mm) under fortlöpande registrering av töjningsvärden i en datalogger inbyggd i Borre. Knäckning av kärnan och upptagning till ytan. De under friborrningen avlästa töjningsvärdena överförs från mätcellens datalogger till en extern PC för utvärdering.. I denna metod kan borrhålen vara torra eller vattenfyllda och mätningarna göras djupare än 500 meter. Mätningar har hittills gjorts ned till 640 meters djup från markytan. Idag är det endast denna metod som klarar att mäta i vertikala, vattenfyllda hål från markytan. För en fullständig bestämning av det tredimensionella spänningstillståndet krävs mätning i sex av varandra oberoende riktningar. Data från en överborrning med Borre-cellen innefattar nio. 12.

(21) töjningsdifferenser i sju oberoende riktningar. Dessa har uppkommit i och med att töjningsgivarna är fastlimmade på den borrkärnan som avlastats från allt omgivande bergtryck i och med överborrningen. En linjär regressionsanalys nyttjas för att hitta den lösning som bäst passar alla uppmätta töjningar. Borre-cellen är sedan 2003 också utrustad med en datalogger som registrerar töjningarna både under inlimning och överborrning (Sjöberg & Klasson 2003). Efter avslutad överborrning utförs sedan ett biaxialtest på borrkärnan för att bestämma bergets elastiska parametrar. Spänningarna beräknas utifrån töjningsdifferenserna och de elastiska konstanterna för berget. Beräkningarna av spänningarna baseras på den klassiska teorin av Leeman och är detaljerat beskriven i t.ex. Amadei & Stephansson (1997). 2.4 Avlastningsmetoder I detta avsnitt ges en detaljerad beskrivning av ett par olika avlastningsmetoder. Såväl fördelar som nackdelar och begränsningar vad gäller mätbarheten hos dessa beskrivs. De olika metoderna som kommer att beskrivas är: • • •. block- och slitssågning, avlastning med centrumhål och slitssågning med installation av en flatjack eller curvedjack.. Merill (1964) definierar avlastningsmetoder som metoder eller processer som helt eller delvis isolerar en bit berg från spänningsfältet i omgivningen. Avlastningsmetoderna har utvecklats från tidigt 1900- tal och framåt men utvecklingen stagnerade i mitten av seklet då överborrningsmetoden ”tog över”. Avlastningsmetoderna används för att kunna bestämma in situ-spänningarna i berg genom att mäta bergets respons vid avlastning genom borrning eller sågning. De ursprungliga måtten i mätmetodernas geometrier angavs i tum men har sedan omräknats till SI-enheter. 2.4.1 Blocksågning Blocksågning är en avlastningsmetod där mätdubbar eller töjningsgivare placeras på berget för att kunna mäta bergets förskjutning vid en avlastning. Med kännedom om bergets elasticitetsmodul och Poissons tal kan dessa förskjutningar och töjningar sedan användas för att beräkna de tvådimensionella spänningarna i berget. Lieurance (1939) var en av de första som utförde tester av blocksågning på 1930-talet. Det var i och med byggandet av Hoover dam i Nevada i USA som det blev aktualiserat och nödvändigt att veta vilka spänningar som rådde i berget för att kunna bestämma behovet av förstärkning. Om spänningarna i dammens grundläggning skulle vara för låga i kanalens riktning fanns risken att botten skulle spricka upp när dammen fylldes med vatten. Därför bestämdes att spänningarna i grundläggningen skulle undersökas genom att mäta in situspänningarna vid dammen.. 13.

(22) Lieurance genomförde mätningarna i en torrlagd tunnel av dammen och tunnelns tvärsektion var 1,5 x 1,8 m. Metoden innebar att mätdubbar placerades på tunnelväggen på ett flertal mätpunkter som låg med 15 meters mellanrum i tunneln. Geometrin vid en av punkterna ses i figur 8. Åtta mätdubbar placerades på en tänkt cirkels omkrets med diametern 0,508 meter. Avståndet mellan dessa mättes och därefter frilades ett 1,22 m2 block genom att 0,762 m djupa hål borrades omlott. Under tiden som blocket borrades mättes skillnaden i avstånd mellan mätdubbarna, d.v.s. bergets töjning. En borrkärna från det avlastade berget studerades sedan i ett laboratorium i Denver för bestämning av elasticitetsmodulen.. Figur 8: Avlastad sektion av berget och mätdubbarnas placering som Lieurance använde (Merrill, 1964). Konventionella töjningsrosettsformler användes sedan för att beräkna spänningen i berget (Merrill, 1964). Spänningen parallell med tunnelväggen bestämdes först (Amadei och Stephansson 1997). I Olsen (1957) finns en förfinad blocksågningsmetod beskriven. Kortfattat gick metoden ut på att ett rutmönster ritades upp på bergytan som referens för det tvådimensionella spänningsfältet. En 153 mm ring borrades upp i rutmönstret och en viss töjning av berget uppstod, se figur 9. Olsen visade via beräkningar att ringen skulle borras ned till ett djup av 127 mm för att en fullständig avlastning av berget skulle ske. För att mäta töjningen när borrningen runt givarna genomfördes användes elektriska töjningsgivare. Dessa. 14.

(23) töjningsgivare var vattentäta/skyddade. För att ta fram elasticitetsmodulen och Poissons tal testades berget i ett laboratorium.. Uppmärkt bergyta. Borrad ring. Figur 9: Testgeometri som Olsen (1957) använde. Den plana bergytan är uppmärkt i ett rutmönster och en ring i berget är konstruerad genom att borrhål borrats omlott. Olsen (1957) ansåg att det var viktigt att tiden mellan den första och andra avläsningen minimerades och ansåg att två timmar var maximalt. Han menade också att upprepade avläsningar skulle göras, direkta och omvända, för att kontrollera att eventuella fel kunde korrigeras innan mätningarna fortsatte. Summan av de direkta och omvända avläsningarna skulle vara konstanta för dessa typer av instrument. Det klassiska tvådimensionella töjning-spänningsambandet användes för att bestämma spänningarna-magnituden och riktningen på in situ-spänningarna och den maximala skjuvspänningen. Töjningsrosetten bestod av fyra individuella givare/mätare orienterade i olika riktningar. Den fjärde givaren gjorde det möjligt att beräkna standardfelet av mätningen genom minsta kvadratmetoden (Olsen, 1957). Olsen testade sin metod i två tunnelprojekt och verifierade resultaten genom att i laboratorium avlasta ett stort block som var utsatt för högt tryck. Resultatet från detta laboratorietest visade en god överensstämmelse mellan den beräknade och påförda spänningen (Merrill, 1964).. 15.

(24) Eftersom mätningarna Olsen (1957) gjorde utfördes inne i tunnlar var inte temperaturen något problem. Om mätningarna däremot hade utförts utomhus hade temperaturförändringar, vilka introducerar termiska spänningar, varit tvungna att minimeras. Olsen beskrev tillvägagångssättet med sin metod genom sex steg som skulle följas: 1) 2) 3) 4) 5). Val av lämplig placering för testet. Förbered ytan. Fäst och vattenskydda lämpliga givare. Avläs töjningarna två gånger, före och efter avlastningen. Mät spännings-töjningsförhållandet för materialet från borrkärnor.. Olsen (1957) anser att metoden är enkel och en fullt praktiskt metod för att bestämma spänningarna i berget i och med utvecklingen av verktygen som används. Olsen använde samma sätt som Lieurance hade gjort för att beräkna spänningarna (Merrill, 1964). Sipprelle och Teichman (1950) beskriver också en blocksågningsmetod som testades i Bureau of Mines testgruva i Colorado, USA. En specialtillverkad diamantsåg användes vid sågningen. En plats fri från några större sprängskador valdes. Området som sågades ur var 76 x 107 mm och innefattade töjningsgivarna. Avläsningen av givarna gjordes före och efter sågning. Bergets elastiska egenskaper bestämdes via laboratorietester och sedan beräknades spänningarna. Det gjordes ett flertal mätningar under 1949 både då berget var utsatt för drag och tryck. Alla mätningar som gjordes under drag misslyckades eftersom spänningarna avlastades som sprickor i blocket. De andra mätningarna lyckades och resultaten var tillförlitliga enligt Sipprelle och Teichman (1950). Mätningarna var inom 10 –15 % av de teoretiskt beräknade spänningarna. 2.4.2 Avlastning med centrumhål Duvall (1974) presenterade en annan metod för att mäta spänningstillståndet på en öppen yta. Bakgrunden till metoden är att mäta den radiella förskjutningen av punkter runt ett hål som borras. Geometrin av testet visas i figur 10. Metoden består av två steg. Först installeras sex stycken mätdubbar, som är 9,5 mm i diameter och 6,3 mm långa, med 60 graders mellanrum i en tänkt cirkel med radien 254 mm. Duvall fäste mätpinnarna med epoxy. Diameteravståndet mellan mätdubbarna mättes. Det andra steget bestod i att ett hål med diameter 152 mm borrades i mitten av dubbarna. Därefter mättes avståndet mellan pinnarna igen. Från de tre uppmätta förskjutningarna kunde den sekundära principiella spänningen och dess orientering i berget bestämmas. Förskjutningen mättes ofta med en mikrometer med noggrannheten 0,001 mm. (Amadei & Stephansson 1997). 16.

(25) Figur 10: Avlastning med centrumhål, efter Duvall (1974). Mätdubbarna är markerade med små ringar och betecknas ”pin”. Det stora hålet, ”avlastningshålet”, i mitten borras vid avlastningen. Ivanov (1983) föreslog en liknande metod men 12 mätdubbar användes istället för sex. Detta för att förskjutningen då kunde mätas i fler riktningar än tre. De använde också en specialgjord mikrometer för att mäta förskjutningen under avlastningen med en noggrannhet på 0,001 mm. Avståndet mellan mätdubbarna mättes före och efter avlastningen. Problemet analyserades som ett plant spänningstillstånd i ett elastiskt isotropt material. Spänningen bestämdes utifrån tio diagonala diametrar istället för Duvalls tre. Tsur-Lavie & Van Ham (1974) beskriver i en artikel noggrannheten vid mätning med Avlastning med centrumhål. Ett viktigt konstaterande är att resultaten från mätningar endast är korrekt och exakt då berget beter sig som ett linjär-elastiskt material. Andra antaganden som görs är att berget är isotropt och homogent. Fyra möjliga felkällor har lyfts fram: (i) fel som uppstår i avläsningen av mätdubbarnas förskjutning, (ii) fel som uppstår för att det borrade ”avlastningshålet” i mitten inte är placerat koncentriskt, (iii) en eller flera mätdubbars placering avviker från den tänkta cirkelomkretsen, (iv) ”avlastningshålet” är inte helt cirkulärt utan en aning elliptiskt. Dessa antaganden och möjliga felkällor gäller inte bara för metoden Avlastning med centrumhål utan för alla avlastningsmetoder. 2.4.3 ”Jacking”-metoder Flatjackmetoden representerar en av de allra första metoderna som användes i bergmekaniken för att mäta in situ-spänningar i berg. Till en början var den ämnad för att karaktärisera bergets deformerbarhet men metoden blev på 1950- och 1960-talet populär även för att mäta spänningar.. 17.

(26) ”Jacking”-metoder kallas ibland för spänningskompenseringsmetoder. En bergmassas jämvikt störs genom att slitsar sågas på ytan av berget, antingen vid markytan eller på ytan av bergrummet eller tunneln. Sågningen skapar i sin tur deformationer som mäts med mätdubbar eller töjningsgivare på båda sidor om slitsen. Slutligen återställs jämvikten genom att en apparat, en s.k. jack, sätts in i slitsen, vilken trycksätts tills dess att deformationerna försvunnit/återbildats. Den vanligaste förekommande använda ”jacking”metoden är flatjackmetoden. Då består jacken av två tunna och relativt mjuka ihopsvetsade metallplattor. I figur 11 visas en schematisk bild över hur en uppställning av flatjacksmätning kan se ut.. Figur 11: Uppställningen vid flatjacksförsök enligt Merill (Amadei & Stephansson 1997). Generellt är ”jacking”-metoderna avsedda för bestämning av ytliga eller nära ytan (5 – 7 meter) förekommande spänningar. I många avseenden kan metoden klassificeras som en ytlig avlastningsmetod (Amadei & Stephansson 1997). I figur 12 visas bergets rörelser ur bergmekanisk synvinkel. Här antas att berget är elastiskt (linjärt eller icke-linjärt) och trycksatt vinkelrätt mot flatjackens yta. Det initiala avståndet mellan två mätdubbar kallas d0 och den okända normalspänningen σ. Som ett resultat av att slitsen sågas reduceras σ till noll och avståndet mellan mätdubbarna reduceras med 2∆d. Trycksättningen av flatjacken görs till utjämningstrycket pc där mätdubbarna är tillbaka i ursprungsläget.. 18.

(27) Figur 12: Bergets rörelser vid ett jackförsök, (Amadei & Stephansson 1997) Bowling (1976) föreslog att istället för en flatjack använda en cylindrisk jack för att bestämma spänningarna vinkelrätt mot en bergyta. Jacken består då av en fast stålkärna som är fäst i en gummihylsa. Åtta referensstavar fästs först runt en cirkels omkrets med diametern 250 mm på en bergyta. Stavarna bildar fyra referensavstånd med 45º från varandra. Sen borras ett hål som är 150 mm i diameter och 500 mm djupt i mitten av den stora cirkeln, såsom i Duvalls metod, Avlastning med centrumhål, se figur 10. De fyra diameterförändringarna mäts. Slutligen placeras en cylindrisk jack i borrhålet och trycksätts varefter stavarnas rörelse mäts. Huvudspänningarna och deras orientering i planet parallellt med bergytan och elasticitetsmodul, bestäms från responskurvan av referensstavarna som fås under borrning och trycksättning. ”Curved jacks” föreslogs också av Jaeger och Cook (1964) för mätning av spänningar i borrhål, på avstånd 3 – 6 meter in i bergmassor för att eliminera de huvudsakliga nackdelarna som flatjackmetoden innebär. Flera par av ”jackar” måste då användas. Metoden är enligt Amadei och Stephansson (1997) komplex och kräver en kombination av uppsprickning, trycksättning, avlastning och tryckåterbildning. Den har dock fördelen att kunna bestämma de sekundära spänningarna riktade vinkelrätt mot borrhålet. Flatjacken fungerar med trycksättning upp till flera tusen psi vilket motsvarar tiotals MPa. Slitsen där jacken ska sitta kan antingen göras genom överlappande borrhål eller med en stor diamantsåg som ger en slät yta. Överlappande hål är mest lämpat för djupa slitsar, mer än 1,5 meter, medan sågen lämpar sig för slitsar grundare än 1,5 meter. Jacken sätts på plats med exempelvis cement/murbruk, epoxyharts eller gips. Murbruket måste ha liknade hållfasthet. 19.

(28) och deformerbarhet/styvhet som det intilliggande berget. Om slitsen är gjord med en stor såg är inte gjutning av jacken nödvändig (Rocha, Lopes och Silva 1966). Bergytans deformationer och töjningar måste mätas i närheten av slitsen annars är deformationen och töjningen alldeles för liten för att vara mätbar med tillräcklig noggrannhet. Rocha, Lopes och Silva (1966) föreslog ett avstånd mindre än 300 mm mellan slits och dubb. Dubbarna placeras vinkelrätt mot den tänkta slitsen, på mittlinjen av normalen till flatjacken. Förskjutningarna mäts med en noggrannhet av 0,001 mm. Generellt så har flatjackmetoden flera nackdelar som påverkar utvärderingen av resultaten enligt Amadei och Stephansson (1997). Resultatet påverkas av atmosfäriska förhållanden såsom fukt, temperatur och damm. Krypdeformationer kan uppstå efter att slitsen är sågad vilket kan ge en överskattning av de tangentiella spänningarna. Trycket sprids inte alltid helt över hela jackens yta, vilket leder till att skillnaden mellan påfört tryck och verkligt tryck på berget blir stort. 2.5 Beräkning av töjningen vid blocksågning För att veta med vilken noggrannhet töjningar eller deformationer måste kunna registreras vid användandet av en avlastningsmetod har ett antal beräkningar utförts. Rådande in situspänningar och bergmassans elastiska konstanter har antagits till typiska värden för svensk berggrund. Vidare har antagits att plant spänningstillstånd råder samt att berget kan antas bete sig linjärt elastiskt och isotropt. I figur 13 visas riktningarna x, y och vinkeln ϕ. y. ϕ x Figur 13: Riktningarna x, y och ϕ. Mohrs töjningscirkel ger att töjningen i en godtycklig riktning kan beräknas ur:. ε (ϕ ) = ε x cos 2 (ϕ ) + ε y sin 2 (ϕ ) + γ xy cos(ϕ )sin (ϕ ). (2.7). där εx= töjningen i x-led, εy= töjningen i y-led, γxy= skjuvtöjningen i xy-planet.. 20.

(29) Vidare ger plant spänningstillstånd. [. ]. (2.8). [. ]. (2.9). εx =. 1 σ x − νσ y , Ε. εy =. 1 σ y − νσ x , Ε. där σx= spänningen i x-led, σy= spänningen i y-led, Ε= elasticitetsmodul och ν= Poissons tal. Eftersom plant spänningstillstånd råder, d.v.s. en av huvudspänningsriktningarna är noll kan ett förenklat antagande göras vilket är att. τ xy = 0 .. (2.10). Detta ger att σx och σy är huvudspänningar i horisontalplanet, d.v.s. σx= σH, σy= σh vilket ger. εx =. 1 [σ H − νσ h ] , Ε. (2.11). εy =. 1 [σ h − νσ H ], Ε. (2.12). γ xy =. 1 τ xy , G. (2.13). Ε . 2(1 + ν ). (2.14). G=. Eftersom skjuvspänningen har antagits till noll ger (2.13) inte heller någon skjuvtöjning. Normaltöjningen kan då beräknas genom att (2.11) och (2.12) kombineras med (2.7), d.v.s.. ε (ϕ ) =. 1 [σ H − νσ h ]cos 2 (ϕ ) + 1 [σ h − νσ H ]sin 2 (ϕ ) Ε Ε. (2.15). Töjningen i olika riktningar (φ) har beräknats för antagna värden på σH, σh, E och υ motsvarande ytliga förhållanden (jmf. ekvation (2.1) t.o.m. (2.6)). Resultatet redovisas i tabell 2.. 21.

(30) Tabell 2: Indata och resultat för töjningen vid olika förhållanden. Spänningarna är hämtade från Stephansson (1993) och övriga värden från Töyrä (2004). σH [MPa] σh [MPa] E [GPa] ν ϕ[°] ε [µstrain] 126 2,8 2,2 17,8 0,25 0 105 2,8 2,2 17,8 0,25 45 84 2,8 2,2 17,8 0,25 90 365 6,7 0,8 17,8 0,25 0 158 6,7 0,8 17,8 0,25 45 -49 6,7 0,8 17,8 0,25 90 253 2,8 2,2 8,9 0,25 0 211 2,8 2,2 8,9 0,25 45 169 2,8 2,2 8,9 0,25 90 731 6,7 0,8 8,9 0,25 0 316 6,7 0,8 8,9 0,25 45 -98 6,7 0,8 8,9 0,25 90 30 2,8 2,2 75 0,25 0 25 2,8 2,2 75 0,25 45 20 2,8 2,2 75 0,25 90 87 6,7 0,8 75 0,25 0 38 6,7 0,8 75 0,25 45 -12 6,7 0,8 75 0,25 90. 22.

(31) 2.6 Beräkning av töjningen vid enkel slitssågning. Ett enkelt sätt att bestämma spänningar via avlastning vore att mäta töjningen i en dimension, d.v.s. bara i en enda riktning. Detta skulle kunna göras genom en förenklad variant av blocksågning där enbart en slits sågas upp och töjningen mäts med hjälp av mätdubbar, se figur 14. σy σy2 = σ1. σx. σx. Hålrum σx2 = σ2. Infinitesimalt element Slitsens bredd a). b). Figur 14: Figur a) visar slitsen och mätdubbarna och in situ-spänningarna. Figur b) visar ett infinitesimalt element efter att slitsen blivit sågad.. För att beräkna töjningen av berget vid sågningen antas att in situ-spänningarna är orienterade parallellt och vinkelrätt slitsen samt att plant spänningstillstånd antas råda, d.v.s.. σz = 0 ε x1 =. (2.16). [. ]. 1 σ x1 − νσ y1 , Ε. (2.17). där εx1= töjningen i x-led före slitsen har sågats, σx1= spänning i x-led före slitsen har sågats , σy1= spänning i y-led före slitsen har sågats, E= elasticitetsmodul och ν= Poissons tal. Efter slitsen har sågats så gäller:. 23.

(32) σ x = 0 ⇒ ε x 2 = ⎜ ⎟(− νσ y 2 ) ⎛1⎞ ⎝Ε⎠. (2.18). där εx2= töjningen i x-led efter att slitsen har sågats och σy2= spänning i y-led efter att slitsen har sågats. Skillnad i töjningen ges av ⎛1⎞ ∆ε x = ε x 2 − ε x1 = ⎜ ⎟(σ x1 − νσ y1 − (− νσ y 2 )) ⎝Ε⎠. (2.19). ⎛1⎞ ⎝Ε⎠. (2.20). σ y1 ≈ σ y 2 ⇒ ∆ε x = ⎜ ⎟σ x1 .. I tabell 3 kombineras ovanstående ekvationer med spänningarna från Stephansson (1993) regressionsanalys, varvid töjning för några olika primärspänningar och E-moduler beräknats. Tabell 3: Indata och resultat för beräkningen av töjningen vid enkel slitssågning.. σx [MPa] 2,8 6,7 2,8 6,7 2,8 6,7. E [GPa] 17,8 17,8 8,9 8,9 75 75. ε [µstrain] 157 376 315 754 37 89. För att mäta minsta antagna horisontalspänningen för ett relativt styvt berg måste en töjning på ca 40 µstrain kunna registreras. Detta gäller vid ett mätavstånd på 100 mm. Det betyder att mätnoggrannheten är ± 2,8 MPa vilket inte är tillfredställande. Det vore önskvärt att kunna mäta med en upplösning på <1MPa. Om man kan registrera töjningar på c:a 10 µstrain så motsvarar det 0,7 – 1 MPa. Enligt Fahlesson (2005) finns en typ av mätdubbar som placeras på ett visst avstånd från varandra och förskjutningen mäts med en s.k. Staegermätare.. 24.

(33) 2.7 För- och nackdelar med de olika metoderna. En sammanställning av de olika metodernas för- och nackdelar presenteras i tabell 4. Tabell 4: Fördelar och nackdelar med de olika metoderna Metod Blocksågning. Slitssågning Avlastning med centrumhål Flat och curved jacks. Fördelar Enkel att utföra praktiskt. Utförs direkt på en slät bergytan. Spänningarna mäts i 2 D Enkel att utföra Enkel att utföra praktiskt. Kan användas direkt på bergytan. ν behöver inte vara känd.. Nackdelar Ε och ν måste vara kända. Mätdubbar och töjningsgivare kan påverkas av fukt och damm. Sällan använd metod, liten erfarenhet. Spänningen mäts endast i 1 D E och ν måste vara kända. Mätdubbarnas förmåga kan påverkas av fukt och damm. Mjukt eller spjälkat berg kan mjukas upp ytterligare av limmet som används. Överskattning av de tangentiella Flatjackmetoden används spänningarna p.g.a. krypdeformationer som direkt på en ytan. kan uppstå efter att slitsen. Utrustningen som används är Resultatet kan påverkas av atmosfäriska robust och stabil. förhållanden som fukt, temperatur och damm. Flertalet flatjackförsök är nödvändiga för att Mindre påverkan på kunna bestämma den fullständiga in situbergmassans mekaniska egenskaperna eftersom spänningen. Bergmassan måste därför ha störningen av berget är samma mekaniska egenskaper i volymen för relativt liten. att omfatta dessa mätningar. Den mätta spänningen är medelspänningen över Speciell utrustning krävs. området. Spänningarna mäts direkt. Relativt stora bergvolymer kan testas (0.5- 2 m).. 25.

(34) 3 SAMMANSTÄLLNING OCH UTVÄRDERING AV SPÄNNINGSDATA 3.1 Inledning. Spänningstillståndet som råder på litet djup är, generellt sett, inte lika känt som det som råder på stort djup. När spänningarna på litet djup uppskattas görs detta ofta genom att använda spänningarna beskrivna av Stephansson (1993). Frågan är då om detta är en tillfredställande uppskattning? Genom att sammanställa och utvärdera resultat från tidigare genomförda spänningsmätningar kan ett svar på detta ges. Värden från ett antal överborrningar som har gjorts i Sverige har sammanställts. Ur dessa data har ett konfidensintervall beräknats för att kontrollera spridningen av spänningsmätningsresultaten på varje mätnivå. Ett konfidensintervall är den vanligaste formen att uttrycka ett osäkerhetsintervall. Om man i en undersökning inte kan bestämma svaret exakt kan man i stället ge två gränser, som innesluter rätt värde med en i förväg bestämd sannolikhet, konfidensgraden. I detta fall har ett 90 % intervall valts. Detta innebär att 90 % av mätdata ligger inom intervallet (σmin < σ < σmax). Resultaten från de sammanställda överborrningsmätningarna har jämförts med regionala data som erhölls från WSM (Reinecker et al., 2004). Diagrammen med konfidensintervallen har jämförts med den regressionslinje som Stephansson (1993) beskrivit för att se om detta är en bra eller tillfredställande metod att uppskatta spänningarna med. 3.2 Sammanställning av mätdata. Sammanställningen har kunnat göras genom att SwedPowers databas över resultat från bergspänningsmätningar nyttjats. Data har valts från några platser i Sverige där spänningsmätningar har utförts med överborrningsmetoden. En av de utvalda platserna för sammanställningen är Forsmark eftersom spänningsmätningarna där har utförts både på ytligt och stort djup och i två olika borrhål. Data från Forsmark är därför väl lämpad för att kunna göra en jämförelse av spänningarna på olika djup och sedan bedöma om dessa skiljer sig markant från varandra. En separat indelning av de ytliga spänningarna, från markytan till 60 meters djup, har gjorts för att dessa ska kunna jämföras med ytliga spänningar från andra mätplatser. Tre olika platser med data från mätningar som gjorts på ytligt djup har valts för att bedöma vilka spänningar som är typiska för ytliga djup. I tabell 5 visas de valda platsernas namn och dess borrhålsbeteckning. De platser där mätresultaten är konfidentiella betecknas A och B och borrhålen BH1 respektive BH2.. 26.

(35) Tabell 5: Plats och borrhålsbeteckning Plats Borrhål Forsmark DBT-1 Forsmark DBT-3 Clab 2 KSI32 A BH1 B BH2. Beräkningar av konfidensintervallen har utförts för mätresultaten med hjälp av datorkoden som finns beskriven i Lindfors et al. (2004). I figur 15, 17, 19, 21 och 23 presenteras de uppmätta värdena på σH, σh, σv och riktningen på σH för respektive mätplats. I figur 16, 18, 20, 22 och 24 presenteras 90% - konfidensintervall för olika mätnivåer för respektive mätplats. I figur 25 – 28 presenteras mätdata från Forsmark på stort djup från Sjöberg et al. (2005). I figur 29 presenteras spänningsdata från ytligt djup för samtliga platser och en regressionslinje, baserad på överborrningsdata, beskriven av Stephansson (1993). Resultaten från de sammanställda överborrningsmätningarna har också jämförts med regionala data som erhållits från WSM (Reinecker et al., 2004).. 27.

(36) σH [MPa]. σh [MPa] 10. -10. 0. 0. 10. 10. 20. 20. Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. 0. 30. 40. 0. 30. 40. 50. 50. 60. 60. 70. 70 σV [MPa] 10. Orientation of σH [°] 20. 0. 0. 0. 10. 10. 20. 20. 30. 40. Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. 0. 10. 30. 60. 90. 120. 150. 180. 30 KSI32 40. 50. 50. 60. 60. 70. 70. Figur 15: Uppmätta värden på σH, σh, σv och riktning på σH från mätningarna i KSI 32.. 28.

(37) σH [MPa] 10. σh [MPa]. 20. -10. 0. 0. 10. 10. 20. 20. Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. 0. 30. 40. 0. 10. 30. 40. 50. 50. 60. 60. 70. 70. σV [MPa] 0. 10. 20. 0. 10. Vertical depth [m]. 20. 30. 40. 50. 60. 70. Figur 16: Medelvärden (■- markering) och 90 % - konfidensintervall ( ‌—‌ ) för horisontella och vertikala spänningskomponenter för olika mätnivåer, visade tillsammans med uppmätta värden (x- markering) i KSI 32. Som referens för den vertikala spänningskomponenten visas också en linje motsvarande överlagringstrycket.. 29.

(38) σH [MPa]. σh [MPa] 10. -10. 0. 0. 5. 5. 10. 10. 15. 15 Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. 0. 20. 25. 0. 20. 25. 30. 30. 35. 35. 40. 40. 45. 45 σV [MPa]. Orientation of σH [°] 10. 0. 0. 0. 5. 5. 10. 10. 15. 15. 20. 25. Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. 0. 10. 30. 60. 90. 120. 150. 180. 20 BH1 25. 30. 30. 35. 35. 40. 40. 45. 45. Figur 17: Uppmätta värden på σH, σh, σv och riktning på σH från mätningarna BH1.. 30.

(39) σH [MPa]. σh [MPa] 10. -10. 0. 0. 5. 5. 10. 10. 15. 15 Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. 0. 20. 25. 0. 10. 20. 25. 30. 30. 35. 35. 40. 40. 45. 45 σV [MPa] -10. 0. 10. 0. 5. 10. Vertical depth [m]. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. Figur 18: Medelvärden (■- markering) och 90 % - konfidensintervall ( ‌—‌ ) för horisontella och vertikala spänningskomponenter för olika mätnivåer, visade tillsammans med uppmätta värden (x- markering) i BH1. Som referens för den vertikala spänningskomponenten visas också en linje motsvarande överlagringstrycket.. 31.

(40) σH [MPa] 10. σh [MPa] 20. 30. -10. 0. 0. 10. 10. 20. 20 Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. 0. 30. 0. 40. 50. 50. 60. 60 σV [MPa] 0 0. 10. 10. 20. 20 Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. Orientation of σH [°] 10. 0. 30. 20. 30. 40. 0. 10. 30. 40. 40. 50. 50. 60. 60. 30. 60. 90. 120. 150. 180. BH2. Figur 19: Uppmätta värden på σH, σh, σv och riktning på σH från mätningarna BH2.. 32.

(41) σH [MPa] 10. σh [MPa]. 20. 30. 40. -10. 0. 0. 10. 10. 20. 20 Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. 0. 30. 0. 10. 20. 30. 40. 40. 50. 50. 60. 60 σV [MPa] -10. 0. 10. 20. 0. 10. Vertical depth [m]. 20. 30. 40. 50. 60. Figur 20: Medelvärden (■- markering) och 90 % - konfidensintervall ( ‌—‌ ) för horisontella och vertikala spänningskomponenter för olika mätnivåer, visade tillsammans med uppmätta värden (x- markering) i BH2. Som referens för den vertikala spänningskomponenten visas också en linje motsvarande överlagringstrycket.. 33.

(42) σH [MPa] 10. 20. σh [MPa] 30. 40. 0. 0. 0. 10. 10. 20. 20 Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. 0. 30. 10. 30. 40. 40. 50. 50. 60. 60 σV [MPa] 0. Orientation of σH [°] 10. 0. 0. 0. 10. 10. 20. 20. 30. Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. -10. 20. 30. 40. 40. 50. 50. 60. 60. 30. 60. 90. 120. 150. 180. DBT-1. Figur 21: Uppmätta värden på σH, σh, σv och riktning på σH från mätningarna i DBT-1.. 34.

(43) σH [MPa] 10. 20. σh [MPa]. 30. 40. 50. 0. 0. 0. 10. 10. 20. 20 Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. 0. 30. 10. 20. 30. 30. 40. 40. 50. 50. 60. 60 σV [MPa] -20. -10. 0. 10. 20. 0. 10. Vertical depth [m]. 20. 30. 40. 50. 60. Figur 22: Medelvärden (■- markering) och 90 % - konfidensintervall ( ‌—‌ ) för horisontella och vertikala spänningskomponenter för olika mätnivåer, visade tillsammans med uppmätta värden (x- markering) i DBT-1. Som referens för den vertikala spänningskomponenten visas också en linje motsvarande överlagringstrycket.. 35.

(44) σH [MPa] 10. 20. σh [MPa] 30. 40. 0. 0. 0. 10. 10. 20. 20 Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. 0. 30. 10. 40. 50. 50. 60. 60 σV [MPa]. Orientation of σH [°] 20. 0. 0. 0. 10. 10. 20. 20. 30. Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. 10. 30. 30. 40. 0. 20. 30. 40. 40. 50. 50. 60. 60. 30. 60. 90. 120. 150. 180. DBT-3. Figur 23: Uppmätta värden på σH, σh, σv och riktning på σH från mätningarna i DBT-3.. 36.

(45) σH [MPa] 10. 20. σh [MPa]. 30. 40. 50. -20. 0. 0. 10. 10. 20. 20 Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. 0. 30. -10. 0. 10. 20. 30. 30. 40. 40. 50. 50. 60. 60. σV [MPa] -10. 0. 10. 20. 0. 10. Vertical depth [m]. 20. 30. 40. c. 50. 60. Figur 24: Medelvärden (■- markering) och 90 % - konfidensintervall ( ‌—‌ ) för horisontella och vertikala spänningskomponenter för olika mätnivåer, visade tillsammans med uppmätta värden (x- markering) i DBT-3. Som referens för den vertikala spänningskomponenten visas också en linje motsvarande överlagringstrycket.. 37.

(46) σ H [MPa] 10. 20. 30. 40. 50. 60. 0. 0. 0. 100. 100. 200. 200 Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. 0. σ h [MPa]. 300. 10. 400. 500. 500. 600. 600. 20 0. 100. 100. 200. 200 Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. 0. 0. 300. 40. Orientation of σ H [°]. σ V [MPa] 10. 30. 300. 400. 0. 20. 300. 400. 400. 500. 500. 600. 600. 30. 60. 90. 120. 150. 180. DBT-1 [OC] DBT-3 [OC]. Figur 25: Uppmätta värden på σH, σh, σv och riktning på σH från mätningarna i DBT-1 och DBT-3.. 38.

(47) σH [MPa] 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 0. 0. 0. 100. 100. 200. 200 Vertical depth [m]. Vertical depth [m]. 0. σ h [MPa]. 300. 10. 20. 30. 40. 50. 300. 400. 400. 500. 500. 600. 600. σV [MPa] -10. 0. 10. 20. 30. 0. 100. Vertical depth [m]. 200. 300. 400. 500. 600. Figur 26: Medelvärden (■- markering) och 90 % - konfidensintervall ( ‌—‌ ) för horisontella och vertikala spänningskomponenter för olika mätnivåer, visade tillsammans med uppmätta värden (x- markering) i DBT-1 och DBT-3. Som referens för den vertikala spänningskomponenten visas också en linje motsvarande överlagringstrycket.. 39.

(48) σH [MPa] 0. 10. 20. 30. 40. 0. 10. Vertikalt djup [m]. 20 DBT-1 DBT-3. 30. BH1 40. KSI BH2. 50. 60. σΗ = 6,7+0,0444z. Figur 27: Resultat från ett antal spänningsmätningar utförda i Sverige med överborrning. Svart linje representerar σH från Stephansson (1993) (ekvation (2.4), se kapitel 2.1). 3.3 Resultat och slutsats. Resultaten för de platser där mätningarna har skett på ytligt djup visar att spänningarna har relativt stor spridning, dels inom varje mätnivå men också mellan mätnivåerna. Från konfidensintervallen i figur 16, 18, 20, 22 och 24 kan det utläsas att storleken på spänningarna varierar och osäkerheten i bestämningen är relativt stor. Spridningen är också stor mellan olika mätplatser. En jämförelse mellan de olika mätplatserna visar att både spänningarnas storlek och riktning kan variera mycket mellan platserna. En jämförelse mellan spänningarna på ytligt och stort djup har gjorts för mätningarna som utförts i Forsmark. Genom att konfidensintervallen för de ytliga spänningarna, som visas i figur 22 och 24, jämförts med konfidensintervallen för spänningarna på stort djup, figur 26 kan spridningen av spänningarna bestämmas. Eftersom konfidensintervallen för spänningarna på stort djup är mindre än de på ytligt djup kan slutsatsen dras att spridningen därmed är större på ytligt djup.. 40.

(49) Den typiska riktningen på största horisontalspänningen i Sverige är NV – SÖ enligt WSM. Orienteringen av största horisontalspänningen på stort djup, figur 25, kan också anses vara NV – SÖ. För spänningarna på ytligt djup är denna trend inte lika tydlig. I figur 17 exempelvis, är trenden på riktningen NÖ – SV. Regressionslinjen, som beskrivits av Stephansson (1993), har jämförts med sammanställningen av mätdata från de olika platserna, vilket visas i figur 27. Mätpunkterna från borrhål KSI stämmer väl överens med regressionslinjen. De övriga punkterna kan inte anses vara en god överensstämmelse. De höga spänningarna, från DBT-1 och DBT-3, skulle underskattas om dessa approximerades med regressionslinjen. Spänningarna erhållna från BH1 och BH2 skulle i förekommande fall underskattas med flera MPa. Det går inte att dra slutsatsen att de ytliga uppmätta spänningarna följer denna regressionslinje. Detta leder till att behovet att utföra bergspänningsmätningar ökar eftersom det inte är en tillfredställande uppskattning på ytligt djup.. 41.

No results found