Styckefall och svällning vid sprängning av inspända bergprover

2008:206 CIV

E X A M E N S A R B E T E

Styckefall och svällning vid sprängning av inspända bergprover

Jonas Edin Lars Martinsson

Luleå tekniska universitet

Civilingenjörsprogrammet

Förord

Detta examensarbete har utförts av Lars Martinsson och Jonas Edin som en del av vår utbildning på Civilingenjörsprogrammet för Väg och Vattenbyggnad vid Luleå tekniska universitet. Vi har haft hjälp av kunnig personal vid LTU för att designa och konstruera de testmodeller som använts i testförsök och vi vill tacka dessa människor. Engagemang och rådgivning har vår handledare Daniel Johansson samt Finn Ouchterlony, som är vår examinator, givit oss. Ett stort tack till alla vänner som har stöttat oss under

genomförandet av detta examensarbete. Tack också till LKAB som har finansierat vårt

examensarbete.

Sammanfattning

Vid storskalig rasbrytning är rasflödet en mycket viktig del för gruvans produktivitet.

Rasflödet påverkar hur mycket av malmen som utvinns i varje produktionssalva, dessutom ger ett jämnt rasflöde utan avbrott en effektiv produktion. Designen av produktionssalvorna görs till stor del med erfarenhetsmässig bakgrund. Kunskapen om hur olika parametrar inverkar på rasflödet och vilka parametrar som har stor betydelse är i nuläget relativt liten. Detta examensarbete syftar till att ge en ökad förståelse för hur en omgivande spänning samt mothållande material inverkar på fragmenteringen av inspända bergprov i modellskala och omgivande massors kompaktering.

Examensarbete är knutet till ett forskningsprojekt som leds av MMT (Mass Mining Technology project) med Gideon Chitombo som projektledare. I ett underprojekt studerar vår handledare Daniel Johansson hur fragmenteringen och svällningen påverkas av specifik laddning och rasmassornas egenskaper. MMT-projektetes finansiärer är en grupp internationella gruvbolag. I denna ingår bland annat LKAB.

Tidigare tester har utförts inom MMT-projektet. Där använder man sig av en nerskalad modell för sprängtester. Denna modell har vidareutvecklats för att kunna bestämma inverkan av en omgivande spänning.

Resultaten i detta examensarbete kan användas som vägledning vid observationer av

mekanismer i fullskalig skivrasbrytning.

Abstract

An important factor for a mines productivity in sublevel caving is the gravity flow of the blasted ore. The gravity flow affects how much of the blasted ore that can be retrieved, a smooth gravity flow without interruption is optimal for the efficiency of the mine.The design of production blast rings is today almost solely based on experience.

The knowledge of how different parameters affects the gravity flow is at the present relativily small. The purpose of this thesis is to increase the understanding of how a surrounding pressure and different confining material affects the fragmentation of a confined sample in model scale.

This thesis is linked to a research project led by MMT (Mass Mining Technology project) with Gideon Chitombo as project manager. In a subproject our supervisor Daniel

Johansson studies how the fragmentation and swelling of a model sample is affected by the specific charge and the properties of the confining material. The MMT-project is financed by a group of international mining companies. In this group LKAB is one of the companies.

Earlier tests have been carried out in the MMT-project. These tests is a scaled down model for blasting. This model has been developed further in order to determine the effect of a surrounding pressure acting on the sample.

The results in this thesis can be used as a guidance for further analysis and model work

on full scale sublevel caving.

’ Innehållsförteckning

1 INLEDNING... 1

1.1 Bakgrund ...1

1.2 Syfte ...2

1.3 Avgränsningar ...2

1.4 Metod...3

1.5 Målgrupp ...4

1.6 Förväntat resultat...4

2 TIDIGARE UTFÖRDA FÖRSÖK ... 5

2.1 Inledning ...5

2.2 Frågeställning ...5

2.3 Modell...6

2.4 Utförande ...8

3 METOD... 11

3.1 Provkroppar ...11

3.1.1 Referensprovkroppar...13

3.2 Aktivt inspända provkroppar ...14

3.2.1 Testuppställning...14

3.2.2 Ballast ...16

3.2.3 Testutförande ...17

3.3 Passivt inspända provkroppar med högre finandel ...19

3.3.1 Testuppställning...19

3.3.2 Ballast ...20

3.3.3 Testutförande ...21

3.3.4 Svälltester...22

3.4 Analys...23

3.4.1 Siktning/Magnetseparering ...23

3.4.2 Svälltester...25

3.5 Spänningsmätningar ...26

3.5.1 Tidigare utförda spänningsmätningar...27

3.5.2 Testutförande för spänningsmätningar...30

4 RESULTAT... 36

4.1 Referensprovkroppar ...36

4.2 Aktivt inspända provkroppar ...37

4.3 Passivt inspända provkroppar med ballast med högre finandel ...49

4.4 Spänningsmätningar ...62

4.5 Uppkrossning...66

5 DISKUSSION ... 69

5.1 Testgenomförande...69

5.1.1 Tillredning av provkroppar ...69

5.1.2 Referensprovkroppar...70

5.1.3 Ballast ...70

5.1.4 Aktivt inspända provkroppar...71

5.1.5 Passivt inspända provkroppar ...72

5.1.6 Svälltester...72

5.1.7 Spänningsmätningar...73

5.2 Förslag på fortsatta studier ...74

6 Slutsatser ... 76

7 REFERENSER ... 79

7.1 Litteratur ...79

7.2 Elektroniska dokument ...80

Appendix

Appendix 1: Testmatris.

Appendix 2: Siktdata.

Appendix 3: Svälltester.

Appendix 4: Spänningstester.

Appendix 5: Konstanter till beräkningsmatris (Duncan & Fama 1980).

Appendix 6: Leeman´s ekvationer för beräkning av spänningssituationen runt ett borrhål.

Appendix 7: CAD-ritningar av testcylindern.

1 INLEDNING

1.1 Bakgrund

Rasbrytning är en storskalig produktionsform inom gruvnäringen. Denna

produktionsform är ovanlig, endast 2 % av alla underjordgruvor i världen använder sig av den. Situationen i Sverige speglar inte denna fördelning då LKAB tillämpar denna

produktionsform i sina två gruvor i Kiruna och Malmberget.

Med skrivrasbrytning utvinner man malmen i produktionsnivåer som tillretts i

malmkroppen vertikalt med höjdskillnader på 20-30 m. På en produktionsnivå bryts en fältort i hängväggen samt flera tvärorter som korsar malmkroppen (figur 1.1). I

tvärorternas tak borras solfjäderformade kransar (figur 1.2 och 1.3).

Varje krans består av mellan 8-12 borrhål med olika längd, 20-40 m. Kransarna borras inifrån och ut med ett mellanrum på 3 m, vilket utgör spränghålens försättning. En krans benämns som en salva. När en produktionsnivå är helt färdigborrad kan produktionen påbörjas med sprängning (figur 1.4), lastning (figur 1.5) och tömning (figur 1.6) (Tore Fällén, 2006).

Figur 1.1 Tvärort in i malmen, sett från sidan

Figur 1.2 Borrning av kransar, sett från sidan

Figur 1.3 Kransar, projektion

Denna produktionsform är helt beroende på hur bra den lossprängda malmen flödar ner för lastning samt hur fragmenteringen av malmen ser ut vid sprängning av en krans. Man vill uppnå en så bra fragmentering som möjligt samt att rasflödet inte hindras. I dagsläget vet man mycket lite om vilka parametrar som har störst betydelse för dels

fragmenteringen och rasflödet. Detta examensarbete syftar till att förstå de parametrar som inverkar på malmens fragmentering och svällning genom laboratorietester.

1.2 Syfte

Detta examensarbete syftar till att ge underlag för en ökad förståelse om de parametrar som kan inverka på rasflödets egenskaper vid storskalig skivrasbrytning. Examensarbetet är en del av ett forskningsprojekt som pågått sedan 2004. Forskningsprojektet organiseras av Swebrec och finansieras av organisationen MMT- Mass Mining Technology och LKAB.

I detta examensarbete utgår vi från tidigare utförda sprängtester i modellskala för att utvärdera hur olika faktorer i rasbrytning påverkar fragmentering och

svällning/kompaktering i rasbrytning.

1.3 Avgränsningar

Rasflödet i rasbrytning är ett mycket komplext system där många variabler är okända och lite forskning har gjorts för att förstå hur olika parametrar inverkar. Detta examensarbete kommer inte att kunna förklara alla de mekanismer och parametrar som ingår i systemet.

Resultaten från den modell som ska användas kommer inte att direkt kunna tillämpas storskaligt. De parametrar som ska undersökas är:

• Simulering av rasmassornas spänningsinverkan på fragmenteringsresultatet vid sprängning av en skivkrans. Detta genomförs i modellskala.

• Hur olika rasmassor inverkar på fragmentering och svällning vid sprängning av en skivkrans eller den snarliggande kompakteringen hos rasmassorna. Detta

genomförs i modellskala.

• Detta examensarbete kommer i huvudsak att presentera resultat från

modellförsök, djupare analys av resultat kommer ej att genomföras.

1.4 Metod

I detta examensarbete kommer laboratorieförsök utföras för att empiriskt göra hypotesprövningar. (Andersson m.fl. 1998). Grundmodellen för detta är att utföra

sprängtester i en nerskalad rasbrytning. De olika försöksmodellerna som testas ska påvisa hur en ansatt spänning från rasmassor i form av ett ballastmaterial med fraktionen 0-16 mm samt medelstyckefallet x ₅₀ =8 mm påverkar fragmentering och hur

svällning/kompaktering och fragmentering påverkas när mothållande material består av ballastmaterial med fraktionen 0-16 mm samt medelstyckefall x 50 =4 mm.

Ballastmaterialet med medelstyckefallet x 50 = 4 mm är framtaget för att ge en hög packningsgrad i sprängtesterna.

Detta examensarbete består av fem faser:

• Projektbeskrivning

• Förstudie

• Försöksmodell

• Laborativa undersökningar

• Analys

Projektbeskrivning: Denna fas i projektet beskiver forskningsfrågan med avgränsningar.

Förstudie: I förstudien görs en litteraturstudie på tidigare utförda försök inom detta forskningsområde. Detta ger en ökad förståelse för forskningsfrågan samt ger denna fas kunskap om hur försöksmodellen ska designas för att resultaten ska kunna jämföras.

Försöksmodell: Utformningen av försöksmodellen är en viktig del i detta examensarbete och modellen beskrivs i detalj i kapitel 3.

Laborativa undersökningar: När försöksmodellen skapats och dess validitet är säkerställd kan de laborativa undersökningarna påbörjas. Utgångspunkten för de laborativa

undersökningarna är att använda den försöksmodell som skapats och däri kunna isolera enskilda parametrar av intresse. Under hela denna fas görs kontinuerliga

referensexperiment för att på så sätt säkerställa repeterbarheten för försöken. De laborativa undersökningarna samt försöksmodellen ska dokumenteras väl för framtida upprepning av försöken och eventuell omtolkning av resultaten.

Analys: Här analyseras de kvantitativa data som samlats under de laborativa

undersökningarna (Runa Patel m.fl. 1994).

1.5 Målgrupp

De företag och organisationer som finansierar detta examensarbete ingår i

forskningsgruppen MMT (Mass Mining Technology project). I denna grupp ingår bland annat LKAB. Resultaten av detta examensarbete är av intresse för problemägarna och andra gruvnäringsföretag.

1.6 Förväntat resultat

De försöksmodeller som kommer att användas förväntas ge följande resultat:

• Ett aktivt omgivande tryck från ballasten förväntas ge en grövre fragmentering än en passiv inneslutning med samma massor.

• Rasmassor med högre packningsgrad som mothållande material bör ge en annan svällning i provkroppen efter sprängning än rasmassor med lägre packningsgrad, vilka studerats av Daniel Johansson (Johansson m.fl. 2007).

• Rasmassorna med högre packningsgrad förväntas ge ett högre medelstyckefall vid

sprängtester.

2 TIDIGARE UTFÖRDA FÖRSÖK

Här presenteras en sammanfattning av tidigare utförda modellförsök inom MMT

projektet (D Johansson m.fl. 2007) Sammanfattningen presenteras för att få en överblick till vilka försök som tidigare har utförts samt hur modelltesterna har utvecklats. Detta tidigare arbete ligger till grund för de försök som utförts i denna rapport.

2.1 Inledning

För att kunna studera hur rasmassorna påverkar fragmentering och svällning har en provmetod utvecklats av Daniel Johansson m.fl. Denna metod bygger på att i modellskala studera de parametrar som tros ha inverkan på sprängresultatet. Undersökningar visar på att fragmenteringen i den här typen av modellförsök har mycket gemensamt med

fragmenteringen i full skala (Ouchterlony & Moser 2007). Hittills har över hundra prover av denna typ utförts med tillfredsställande resultat.

2.2 Frågeställning

Den brytningsmetod som tillämpas i LKAB:s gruvor är storskalig skrivrasbrytning (se avsnitt 1.1). Rasmassorna som ligger mot brytningsfronten fungerar som en vågfälla vid sprängning vilket i sin tur minskar den reflekterande vågens amplitud. Denna minskning i amplitud påverkar fragmenteringen hos den sprängda kransen. Den horisontella rörelsen i de sprängda massorna minskar till följd av den dämpade amplituden som i sin tur

påverkar svällningen av massorna. Skrivrasbrytning är, som tidigare nämnts, ett mycket

komplext system där ett stort antal parametrar ingår och samverkar med varandra. De

egenskaper hos rasmassorna som antas påverka resultatet visas i figur 2.1 nedan. Figuren

visar hur det principiellt ser ut vid en skivrasring med den fragmenterade kransen mot

rasmassorna och en krosszon vid spränghålen.

Egenskaper hos rasmassorna som kan påverka fragmenteringen:

• Storleksfördelningen hos rasmassorna

• Tjockleken hos lagret med rasmassor

• Packningsgraden hos rasmassorna, både från tidigare skjutning samt av ovanliggande massor

• Densitetsskillnaden mellan malm och rasmassor

• Omgivande spänning

Figur 2.1. Principiell illustration av sprängd skivraskrans.

2.3 Modell

Som tidigare nämnt har Daniel Johansson m.fl utvecklad en metod som simulerar

rasmassornas inverkan på fragmentering och svällning vid rasbrytning. När metoden

utvecklades var ett robust och tillförlitligt modellupplägg viktigt att åstadkomma där

enskilda parametrar kan isoleras och utvärderas. Metoden använder sig av gjutna

cylindrar med dimensionerna 140 mm x 280 mm med ett centrerat hål i mitten. Denna

cylinder representerar den laddade kransen i skivrasbrytning. Denna gjutna cylinder

placeras i en stålcylinder med innerdiametern 309 mm. Tomrummet mellan den gjutna

cylindern och stålcylindern fylls med ballastmaterial av känd kornstorleksfördelning,

detta för att simulera de rasmassor som omger en skivkrans. Figur 2.2 nedan visar en

principiell skiss över modellupplägget.

Figur 2.2: Modellupplägg under inspända förhållanden.

För att undersöka hur stor effekt inspändheten har på fragmenteringen, utfördes både fria skott och inspända skott. De fria skotten stod endast på tre aluminiumben, för att få så friktionsfritt utslag som möjligt. Figurerna nedan visar de två skilda försöken.

Figur 2.3: Försök med fritt utslag.

Figur 2.4: Inspänt försök.

Pentylstubin, PETN, valdes som sprängämne för modellförsöken. Detta på grund av sin

ideala detonation, hanterbarhet och möjligheten att variera laddningskoncentrationen på

ett enkelt sätt. En mycket viktig aspekt vid modellförsöken är att uppnå repeterbara

resultat. Tidigare försök med provcylindrar av ren magnetit har utförts men eftersom

magnetiten har naturliga diskontinuiteter i form av sprickor och slag utvecklades ett

modellmaterial av typen magnetisk finbetong. Tabell 2.1 nedan visar det recept som

används vid gjutning av provkropparna.

Tabell 2.1: Recept magnetisk finbetong.

Cement 25,6 %

Vatten 12,6 %

Glenium 51 0,3 %

Tributylfosfat 0,1 % Magnetitpulver 29,7 %

Kvartssand 31,7 %

De gjutna provkropparna består till nästan 30% av magnetitpulver, detta för att kunna skilja ballast och provkropp åt med magnetseparation vid analys efter sprängning.

Gjutna provkroppar har utvärderats i tester där fragmenteringsegenskaper har jämförts med 4 stycken olika magnetitsorter. Utvärderingen visade på likheter i fragmentering.

2.4 Utförande

Sprängförsöken utfördes i en gummibeklädd container på Swebrecs försöksstation hos FOI på Grindsjön för att minimera förluster av det sprängda materialet. Förluster på ca 1- 2 % var vanliga under försöken.

Efter sprängning siktas och magnetsepareras materialet och två fragmenteringskurvor erhålls, provcylinderns och rasmassorna (ballasten). Magnetsepareringen klarar att uppta totalt 98% av modellmaterialet.

Den specifika laddningen varierades genom att använda pentylstubin med styrkor från 40 g/m ner till 1,5 g/m. Totalt var det 6 st specifika laddningar som användes och

frikopplingsgraden mellan stubin och hålvägg hölls så konstant som möjligt mellan alla styrkor, vilket gjordes genom att gjuta olika diametrar på hålen.

Eftersom små variationer i liten skala kan påverka resultatet stort, var det viktigt att hålla parametrar som inte testades så konstanta som möjligt. Detta var till exempel

detonationshastigheten, densiteten hos provcylindrarna, rasmassors fördelning m.m.

En serie med försök på pentylstubinen visade att variationen i detonationshastighet var marginell mellan de olika styrkorna.

Genom att strikt följa ingående recept på den magnetiska finbetongen hölls densiteten på samma nivå med mycket små variationer.

För att kunna visa repeterbarhet i fragmentering och säkerställa att resultat från olika

provserier skulle kunna jämföras, så gjordes det ett referensskott på varje blandning av

magnetisk finbetong. Referenskottet är en fritt upplagd cylinder laddad med pentyl 20g/m. Om medelstyckefallet var jämförbart mellan de olika försöksserierna säkerställde detta fullt jämförliga resultat.

Eftersom rasmassors egenskaper i en skivrasgruva är svåra att bestämma, så varierades även dessa. Detta gällde fördelning och styvhet under ett antal försök. Fördelningen varierades genom att prova massor inom fraktionen 4-8mm.

Att styvheten kan vara högre hos rasmassor är mycket troligt, på grund av stora belastningar från ovanliggande massor. Detta i sin tur leder till högre packning och styvheten ökar. Genom att tillsätta 10 % gips till rasmassorna, så ökades styvheten hos de omgivande massorna.

I stället för att packa materialet i mellanrummet, gjordes det också försök med att endast hälla krossmaterialet in mellan provkropp och stålcylinder.

För att kunna bestämma hur stor cylindrarnas svällning (expansion) mot de omgivande massorna blir, så utvecklades en frysningsteknik. Försök gjordes i plaströr istället för stålrör. Rören med sprängt prov och rasmassor fylldes med vatten och frystes ner. Efter genomfrysning kapades proven upp i skivor på ca 40mm, vilket gav en möjlighet att kunna mäta svällningen samt sprickbildningen längs efter hålet. Principen illustreras i figur 2.5 och ett av försöken kan ses i figur 2.6. Skillnaderna i fragmentering då plastcylinder användes istället för stålcylinder var minimala och låg inom försökens felmarginaler.

Metoden har gett mycket information vad som händer längs hålet vid sprängningen,

gällande möjligheter att kartera sprickor, sprickutvidning samt svällning. Som Figur 2.5

visar så får man en kratereffekt högst upp på provet, vilket ej möjliggjorde någon

mätning på svällningen. Detta kraterdjup är beroende av laddningmängd, men försöken

gav nog med information om man ser på totallängden av provet.

Figur 2.5: Illustration av svällningsförsök. Figur 2.6: Testuppställning av svällningsförsök.

Den testmodell och försöksuppställning som beskrivs kortfattat i detta kapitel ligger till

grund för arbetet som utförts i denna rapport.

3 METOD

För att utföra testerna i detta examensarbete använder vi oss av en redan beprövad testmodell. Testmodellen är gjord för sprängning vid inspända förhållanden.

Sprängtesterna utförs på gjutna provkroppar av magnetisk finbetong med en specifik sammansättning. Sprängmedel appliceras axiellt i provkroppen och provkroppen är omgiven av antingen luft eller ballast. Ballasten packas runt provkroppen inuti en stålcylinder när fragmenteringstester ska utföras och i en plastcylinder när svällningen eller kompakteringen ska undersökas. (Johansson m.fl. 2007)

Fraktionerna som har använt för att blanda de olika rasmassorna eller

ballastsammansättningarna är 0-2, 2-4, 4-8, 8-11, 8-16 mm. I fördelningen x ₅₀ = 4 mm har även en kvartsand med fördelningen 0-0,2 mm används för att öka finandelen i ballasten med avsikt att öka packningsgraden i testerna. Fraktionen 2-4 mm som används i båda fördelningarna är hämtad från NCC´s krossanläggning i Aitik och de övriga fraktionerna är hämtade från Skanskas krossanläggning vid Gammelstad i Luleå.

3.1 Provkroppar

I testerna används provkroppar bestående av en magnetisk finbetong. Den magnetiska finbetongen har bestämd sammansättning och väl definierade hållfasthetsegenskaper.

Tabell 3.1 visar de ingående komponenterna i den magnetiska finbetongen.

Tabell 3.1 Ingående komponenter i den magnetiska finbetongen.

Material Procentsats

Cement 25,61 %

Vatten 12,65 %

Glenium 51 0,26 %

Tributylfosfat 0,13 % Magnetitpulver 29,66 % Kvartssand 31,69 %

∑ 100 %

Provkropparna har gjutits på Testlab vid LTU. Alla beståndsdelar i den magnetitska

finbetongen vägs på en våg med noggrannheten 1/10 gram och blandas sedan i en 65

liters betongblandare. Därefter hälls blandningen i cirkulära gjutformar av papp med en

diameter på 140 mm. Gjutformarna har förberetts med axiellt centrerade plaststavar med

en förutbestämd diameter.

Stavarna tas bort när den magnetiska finbetongen brunnit i 12 tim. Efter gjutningen resulterar detta i ett centrerat hål med mycket liten avvikelse. I hålet appliceras sedan pentylstubin vid sprängtesterna.

Magnetitcylindrarna härdar sedan under 28 dagar under hög luftfuktighet och med en temperatur på 20 grader Celsius på utsidan av formarna.

Efter 4 veckor kan provkropparna kapas ner till en höjd av 280 mm. Därefter mäts höjden av provkropparna och densiteten kan därmed beräknas. Densiteten beräknas för att kontrollera att alla provkroppar har samma egenskaper och vikten kontrolleras för att det ska vara möjligt att beräkna förlusterna p.g.a. sprängning, transport och siktning.

De mekaniska egenskaperna för den magnetiska finbetongen är noggrant analyserade och illustreras i tabellen nedan (Johansson 2007).

Tabell 3.2 De mekaniska egenskaperna hos den magnetiska finbetongen (Johansson 2007)

Parameter

Enaxiell

hållfasthet,σ

_c

51 MPa

Young´s modul, E

_c

24 GPa

Poisson´s tal, v 0,22

Draghållfasthet, σ

_Bt

5,2 MPa

3.1.1 Referensprovkroppar

Eftersom provkropparna i denna försöksserie har gjutits i fyra olika omgångar är det nödvändigt att kunna säkerställa att alla fyra gjutomgångar har samma tekniska

egenskaper och även samma egenskaper som de provkroppar som tillverkats för tidigare testserier (Johansson m.fl. 2007).

Vid varje gjutomgång gjuts maximalt 10 stycken provkroppar och en provkropp i varje gjutomgång är en referensprovkropp. Dessa provkroppar gjuts med håldiametern 10 mm.

Referensprovkropparna laddas med en bestämd laddningskoncentration av 1,306 kg/m ³ (20 g/m) PETN och skjuts fritt enligt figuren nedan.

Figur 3.1 Försöksuppställning vid sprängning av referensprovkropp. Provkroppen ställs upp på tre stycken stöd i metall och laddas med pentylstubin (laddningskoncentration 20 g/m).

Efter sprängning samlas materialet från den fragmenterade provkroppen upp för att sedan genomgå siktning. Siktningen har utförts vid Väglaboratoriet i Norr AB, Boden.

Siktkurvan över den sprängda provkroppen analyseras och kontrolleras så att den överensstämmer dels med siktkurvorna från referensskotten från de andra

gjutomgångarna för denna testserie och dels med tidigare utförda försök.

3.2 Aktivt inspända provkroppar

De krav som ställdes på denna testmetod i början av arbetet var:

• Efterlikna tidigare testmetoder så jämförelse av resultaten är möjlig.

• Skapa en aktiv spänning som verkar på provkroppen.

• Kunna producera repeterbara spänningsförhållanden.

• Mäta de spänningar som genereras i testcylindern.

För att simulera en spänningsinverkan på provkroppen har en testcylinder i stål tillverkats. De försök som har utförts med denna testcylinder syftar till att bättre förstå hur en omgivande spänning inverkar på fragmenteringen av en provkropp. Två skilda spänningsnivåer ska användas för att kunna se skillnader i fragmentering. Den ballast som används som omslutande rasmassa är av samma typ som Daniel Johansson har använt i sina tidigare försök (Johansson 2007), den följer en Swebrec-fördelning med parametrarna x ₅₀ = 8 mm, x _max = 16 mm och b = 2,1. (Ouchterlony 2005)

3.2.1 Testuppställning

En testcylinder i stål har konstruerats för att kunna skapa en omgivande spänning på provkroppen. Testcylindern består av ett stålrör med en diameter på 309 mm, höjd 300 mm och en godstjocklek på 10 mm. Detta stålrör har kapats i tre lika delar och längs dessa skarvar har vinkeljärn svetsats på. Fem stycken hål har sedan borrats i vinkeljärnen för att skapa ett bultförband med 5 stycken M12 bultar (hållfasthetsklass 8.8) per skarv.

Testcylindern fixeras på en masoniteplatta, med underliggande stålplatta, med två stycken bultar under åtdragningsmomentet och sprängförsöken. Upptill fixeras provkroppen och rasmassorna avtätas med ett stållock och kilförband. Kilförbandet utgörs av 6 stycken M6 bultar med standardhållfasthetsklass 8.8 och kilarna består av stålplåt med en tjocklek av 10 mm. Locket är konstruerat i stål med en tjocklek på 5 mm. Figur 3.2 visar

testcylindern.

Figur 3.2 Testcylinder i stål med provkropp av magnetisk finbetong centrerad i mitten, omgiven av ballast.

På bilden ser man bultförbanden som dras åt med momentnyckel för att skapa den omgivande spänningen samt fixeringen av testanordningen upptill och nertill.

Fixeringen av testcylindern utförs för att inte ballastmaterialet ska tryckas ut i ändarna under åtdragningsmomentet av bultförbanden och på så sätt kunna bidra till att den spänning som skapas inte bibehålls. Fixeringen gör också försöksuppställningen mer robust under sprängning och förhindrar testcylindern från att tippa. Överskådliga CAD- ritningar av testcylindern finns som bilagor under Appendix 7 Testcylinder.

Testcylindern har modifierats under tiden för sprängförsöken. Detta på grund av att vid

större laddningskoncentrationer > 1,306 kg/m ³ (20 g/m PETN), knäcks bultarna som

fixerar stållocket. Det åtgärdades med tre nya kilförband (totalt nio stycken) och de bultar

som fungerade som sprintar byttes ut mot en bult med högre hållfasthetsklass av typen

M6 12.8.

3.2.2 Ballast

Ballastmaterialet med medeltyckefallet x ₅₀ = 8 mm används i dessa 16 tester. De olika fördelningarna vägdes upp i provhinkar på en våg med noggrannheten 1/100 kilo och blandades i en betongblandare. Fördelningen för ballasten visas i tabell 3.3.

Fraktionerna har valts för att följa en Swebrec-fördelning med parametrarna x 50 = 8 mm, x max = 16 mm och b = 2,1 (Ouchterlony 2005)

Tabell 3.3 Fördelningen som använts vid blandning av ballast med x

₅₀

=8 mm.

Fördelning x

₅₀

= 8 mm [mm] [%]

0-2 9 2-4 10 4-8 31 8-11 23 8-16 27

För att underlätta arbetet blandades ballast för motsvarande två stycken provsatser samtidigt i betongblandaren. En provsats är den mängd ballast som ska användas i ett enskilt sprängförsök. Blandningen delades sedan upp i två stycken provsatser med en uppdelningsapparat. När materialet delats upp vägdes ballasten enskilt för varje provsats.

Siktning utfördes på några av provsatserna för att säkerställa kvaliteten på blandningen och för att öka validiteten i testerna. Siktningen av ballasten har genomförts med

utrustning lånad från Testlab vid LTU. Ballast från en provuppställning har delats ner till

4 stycken prover med en uppdelningsapparat. Varje prov har en totalvikt på ca 1,2 kg för

att inte överbelasta siktdukarna. Proverna siktas i 10 minuter och den totala mängden som

har stannat på varje enskild sikt adderas från de fyra olika proverna. Siktdata redovisas i

figur 3.3

Figur 3.3 Kornstorleksfördelningen för ballastmaterial med X

₅₀

= 8 mm.

Eftersom ballasten har en tendens att segregera eller skikta sig under transport

handblandades ballasten strax innan packningen i stålcylindern. Detta för att säkerställa att de olika fraktionerna fördelas jämnt i testcylindern.

3.2.3 Testutförande

Sprängtesterna för de aktivt inspända provkropparna har genomförts med Swebrecs utrustning vid FOI testanläggning i Grindsjön. Ulf Nyberg på Swebrec har varit ansvarig för sprängförsöken. En sprängtank i form av en gummiinklädd container har använts vid sprängning av de olika proverna för att underlätta uppsamlandet av material efter

sprängning. Testförehavandet vid sprängning beskrivs i dessa steg.

1. Metall och masoniteplattan placeras i sprängtanken på tre stödben. Stålcylinderns tre huvuddelar placeras på masoniteplattan varpå bultförbanden smörjs och fixeras för att få en jämn spalt mellan cylinderns tre förband. Det är av största vikt att denna spalt är lika bred i alla testförsök för att få repeterbara resultat.

Diametern av stålcylindern mäts på tre olika mätpunkter för att kontrollera att stålcylindern är cirkulär och inte oval. Stålcylinderns geometri korrigeras om den är oval. När dessa steg har slutförts centreras provkroppen i testcylindern.

Centreringen mäts från förbanden med en tummstock. När dessa steg är utförda

fixeras stålcylindern mot bottenplattan med bultar. Dessa bultar dras endast med handkraft.

2. Ballastmaterialet som används som mothållande material handblandas för att säkerställa att blandningen är homogen. Sedan påbörjas packning av ballast runt provkroppen. Metallflänsar placeras i spaltutrymmet mellan stålcylinderns förband för att förhindra att ballast försvinner från sprängtestet och att ingen ballast kläms i spalten vilket kan påverka den spänning som erhålls i

provkroppen. Ballast fylls i stålcylinderns samtidigt som kontinuerlig packning sker med en 2,5x3 tums träregel med en längd av cirka 1 meter. När

ballastmaterial har fyllts till samma höjd som provkroppen vägs det kvarvarande materialet i varje materialsats och den mängd material som har används i varje enskilt prov kan beräknas. Stållocket placeras sedan över provet och fixeras med kilar för att minimera expansionseffekterna på ballasten vid ökad spänning.

Diametern mäts sedan för stålcylindern på tre olika punkter för att kunna uppskatta provets packningsgrad före spänningsökningen.

3. Innan åtdragningen av bultförbanden påbörjas dras bultarna med handkraft för att

säkerställa sig om att alla bultarna ligger an efter packning. Bultarna dras med

momentnyckel till ett visst förutbestämt moment. Åtdragningen av bultarna sker

enligt mönstret i figur 3.4. För att säkerställa en jämn belastning i provkroppen

dras varje bult ett kvartsvarv enligt åtdragningsmönstret i figur 3.4. Detta

återupprepas till att önskat moment erhålls i varje bult i alla förband. När önskat

moment erhållits i bultarna mäts diametern av testcylindern på tre olika punkter

för att kunna beräkna packningsgraden på ballasten efter spänningsökningen.

Figur 3.4 Åtdragning av bultar enligt figur. T.v. i bilden syns stålcylindern uppifrån med de tre förbanden A,C och C. T.h. i bilden syns de tre förbanden samt i vilken ordning bultarna dragits åt.

4. Innan sprängning sopas sprängtanken för att undvika eventuell kontaminering av provmaterialet. Vid sprängningen appliceras pentylstubin i provkroppen och initieras sedan av en Nonelsprängkapsel. Efter sprängning samlas materialet i en plastback och skickas på analys till Väglaboratoriet i Boden. Siktningen har gjorts som torrsiktning ner till 63 μm, se avsnitt 3.4.1. Arbetet utfördes av författarna.

3.3 Passivt inspända provkroppar med högre finandel

För att undersöka hur olika egenskaper i den mothållande ballasten påverkar

fragmenteringen av provkroppen har en ballast med storleksfördelning på 0-16 mm och det finare medelstyckefallet på 4 mm också förberetts till testerna. Den nya

ballastsammansättningen ger en mycket hög packningsgrad, cirka 76%. I testerna studeras hur den nya ballastsammansättningen påverkar fragmenteringsresultatet och svällningen jämfört med tidigare sprängtester utförda av Daniel Johanson. (Johansson 2005-2007)

3.3.1 Testuppställning

Testuppställningen består av en masoniteplatta som är uppställd på 3 stödben. På

masoniteplattan placeras ett stålrör med en diameter på 308 mm, höjd 400 mm och en

godtjocklek på 8mm. Stålröret står fritt uppställd på masoniteplattan. Centrerat i stålröret

placeras sedan den gjutna provkroppen och rummet mellan stålröret och provkroppen

packas med ballast.

3.3.2 Ballast

Fördelningen x 50 = 4 mm som har använts i dessa försök är ett material som ger mycket goda packningsegenskaper. Det är mycket svårt att i förväg beräkna vilken

fördelningssammansättning som ger den högsta packningsgraden vid handpackning. För att få bra packningsegenskaper på materialet har flera olika fördelningssammansättningar provats. För att erhålla goda packningsegenskaper på materialet har provblandningarna försökt efterlikna morän, eftersom moränmaterial ofta används i konstruktioner där höga krav ställs på packningsegenskaperna. Signifikant för morän är att materialet har en mycket välgraderad kornfördelningskurva samt en finjordsandel på cirka 30-40 procent.

Packningsgraden har beräknats för de olika fördelningsrecepten genom att packa en stålcylinder med ballast från de olika recepten. Eftersom stålcylinderns volym är känd kan packningsgraden hos ballasten beräknas genom att väga ballasten i stålcylindern. Det slutgiltiga receptet på fördelningen som vi beslutade att använda i sprängförsöken visas i tabell 3.4.

Tabell 3.4 Fördelningen som använts vid blandning av ballast med X

₅₀

=4 mm.

Fördelning x

₅₀

= 4 mm [mm] [%]

0-0,2 10 0-2 20 2-4 20 4-8 25 8-11 0 8-16 25

Ballasten med x 50 = 4 mm har förberetts vid testlab i LTU. Ballast från en provsats har delats ner till 4 stycken prover med en uppdelningsapparat. Varje prov har en totalvikt på ca 1,2 kg för att inte överbelasta siktdukarna. Proverna siktas i 10 minuter och den totala mängden som har stannat på varje enskild sikt adderas från de fyra olika proverna.

Siktdata redovisas i figur 3.5.

Figur 3.5 Kornstorleksfördelningen för ballastmaterial med x

50

= 4 mm.

3.3.3 Testutförande

Sprängtesterna för de passivt inspända proverna med en högre andel finmaterial har genomförts med Swebrecs utrustning vid FOI testanläggning i Grindsjön.

Testförehavandet vid sprängning beskrivs i dessa steg.

1. Masoniteplattan placeras i sprängtanken på tre stödben. Stålcylinderns placeras sedan fritt uppställd på masonitplattan. Provkroppen centreras i stålcylindern.

Avståndet mäts med tumstock i 3 mätpunkter från provkroppens mantelyta till stålcylinderns innervägg för att säkerställa en god centrering.

2. Ballastmaterialet som används som mothållande material handblandas för att säkerställa att blandningen är homogen. Sedan påbörjas packning av ballast runt provkroppen. Ballast fylls i stålcylindern samtidigt som kontinuerlig packning sker med en packstav i stål. När ballastmaterial har fyllts till samma höjd som provkroppen vägs det kvarvarande materialet i varje materialsats och den mängd material som har används i varje enskilt prov kan beräknas. Diametern mäts sedan för stålcylindern på tre olika punkter för att kunna få en uppfattning av provets packningsgrad.

3. Innan sprängning sopas sprängtanken för att undvika eventuell kontaminering av

initieras sedan av en Nonelsprängkapsel. Efter sprängning samlas materialet i en plastback och skickas på analys till Väglaboratoriet i Boden. Siktningen har gjorts som torrsiktning ner till 63 μm, se avsnitt 3.4.1. Arbetet utfördes av författarna.

3.3.4 Svälltester

Sväll- eller kompakteringssprängtester har utförts för att undersöka hur den diametrala svällningen av provkroppen ser ut med ett omslutande ballastmaterial med hög

packningsgrad (högre finandel x ₅₀ = 4 mm). Svälltesterna förbereds i plastcylindrar med en diameter på 294 mm och höjden 320 mm. Plastcylindrarna fixeras i urfrästa spår på en masoniteplatta med tjockleken 14 mm och därefter skruvas de fast med träskruv och tätas med fogmassa. Innan sprängning centreras provkroppen i plastcylindern och det

omslutande ballastmaterialet packas runt provkroppen. Efter sprängning sker ingen separation eller siktning av materialet, istället tillsätts vatten i plastcylindern och hela provet ställs i ett kylrum för djupfrysning. Figur 3.6 a-b visar ett svälltest innan och efter sprängning.

Figur 3.6-a Ett svälltest som är förberett för sprängning. Provet i figuren ska sprängas med PETN 5g/m och packningsgraden på den omslutande ballasten är 79,5%

Figur 3.6-b Svälltest efter sprängning. Nu fylls plastcylindern med vatten för att sedan frysas ned.

För att kunna mäta den diametrala svällningen i provkroppen sågas den djupfrusna

plastcylindern upp i skivor med en tjocklek på cirka 40-50 mm. På dessa skivor mäts

sedan den diameterförändring som skett på provkroppen. Skivorna mäts både i botten och

i toppen. Sågens blad har en tjocklek på 4 mm. Figur 3.7 visar hur en skiva kan se ut efter tillsågning.

Figur 3.7 En uppsågad skiva från test MM_14. Provet är sprängt med PETN 40g/m och packningsgraden på

omslutande ballast är 80,8 %. Snittet på bilden ligger 50 mm från botten på provkroppen. Man kan tydligt se

sprickutbredning samt den totala diametrala svällningen från bilden.

Liknande svälltester har utförts där skillnaden i fragmentation undersökts på provkroppar sprängda i plastcylindrar och stålcylindrar (Johansson 2005-2007). Man fann att

skillnaden i fragmentering eller styckefall är inom felmarginalen för testuppställningen.

Detta möjliggör jämförelse och analys mellan fragmenteringsförsök och svälltester.

3.4 Analys

3.4.1 Siktning/Magnetseparering Siktning

Den första analysen som görs på materialet efter sprängning är siktning. Siktningen har utförts i Boden med utrustning lånad från Väglaboratoriet i Norr AB. Alla fraktioner ner till 0,063 mm kan urskiljas och vägas för att få fragmenterings- eller siktkurvor från varje enskilt test. Först delas varje prov upp i två delar för att inte överbelasta grovsikten.

Provdelarna siktas sedan enskilt i grovsikten i fem minuter enligt SN-EN-933-1.

Grovsikten kan urskilja material mellan fraktionerna 125 mm till 16 mm. Materialet som stannar på siktduken med spaltvidden 16 mm kan innehålla både magnetisk finbetong från provkroppen och ballast. De olika materialen urskiljs okulärt och vägs separat.

Den andel material som har kornstorlek <16mm delas sedan upp ett antal gånger med en

uppdelningsapparat för att göra siktningen mer effektiv. Efter uppdelning vägs materialet

och siktas i tio minuter enligt SN-EN-933-1. De olika fraktionerna som separeras i

finsikten vägs och paketeras i plastpåsar. Plastpåsarna skickas sedan till Luleå tekniska

Universitet för att urskilja ballasten från magnetiten med en magnetseparator.

Magnetseparering

Det material som efter siktning är mindre än 16 mm måste magnetsepareras för att kunna skilja på ballastmaterialet och den fragmenterade provkroppen. Detta görs för att kunna få en fullständig siktkurva av den sprängda provkroppen ända ner till fraktionen 0,063 mm utan inblandning av ballastmaterial.

Magnetsepareringen har utförts med en maskin av märket Mörtsell torrseparator och visas nedan i figur 3.8.

Figur 3.8 Magnetseparator.

Figuren ovan visar maskinen som används vid magnetsepareringen av materialet. En

vibrationsmatare för materialet till ett svänghjul som är magnetiskt. Material som ej är

magnetiskt faller ut i ett fack och det material som är magnetiskt fastnar på svänghjulet

och ramlar ned i ett annat fack. Efter magnetsepareringen vägs ballast och provmaterial

separat, detta upprepas till dess att alla fraktioner är magnetseparerade och siktkurvorna

över ballasten och provkroppen kan sammanställas.

3.4.2 Svälltester

Vid analys av svälltesterna mäts provtjockleken och den totala diametrala svällningen i provkroppen till följd av sprängningen, efter frysning och tillkapning (se kap. 3.3.3).

Skivornas diameter mäts i tre snitt med en tumstock samt provtjockleken med ett

skjutmått. Höjden på skivan mäts på samma punkter som diameterförändringen. Figuren nedan visar ett exempel på en skiva som mäts enligt snitten A-A, B-B och C-C. Innan kapning sker av plastcylindern märks den upp så att mätningarna utgår från samma koordinatsystem.

Figur 3.9-a. Exempel på hur en skiva mäts. Snitten A-A, B-B och C-C har vinkeln 120˚ mellan varandra.

Snitt A-A ligger alltid parallellt med X-axeln.

Figur 3.9-b. Mätning av skiva.

Det är inte möjligt att mäta svällningseffekten längs hela plastcylindern. Detta på grund av att i toppen av provet bildas en krater och det är mycket svårt att mäta diametern på provcylindern. Denna kratereffekt ökar med ökad laddningskoncentration. Figuren nedan visar en skiva där kratereffekten är så stor att mätning ej är genomförbar.

Figur 3.10. Mätning av diametern kan ej genomföras p.g.a. den

kratereffekt som uppkommer i toppen av plastcylindern.

När skivorna från en plastcylinder är mätta räknas ett medelvärde fram från alla ytor samt höjden på varje enskild skiva. Detta sammanställs sedan i tabellform och utifrån dessa data kan man följa den diametrala svällningen från botten av provkroppen till toppen.

3.5 Spänningsmätningar

För att kontrollera repeterbarheten i testerna med en aktivt ansatt spänning har

spänningsmätningar utförts med testutrustningen. I testuppställningen skapar det påförda momentet i bultförbanden en volymminskning av ballasten som resulterar i en spänning som agerar på provcylindern. Det är spänningarna som verkar på provcylindern som ska mätas i testerna eftersom det är magnituden av den spänningen som eventuellt kan påverka fragmenteringen av provcylindern.

Det beslutades att den bästa metoden för att mäta spänningarna var att använda sig av utrustning som är utvecklad för att göra överborrningsmätningar i berg. Vid överborrning avlastas en bergsmassa i samband med töjningsmätningar i borrhålet. I de tester som utförts med testutrustningen belastas provkroppen med ett omgivande tryck, därför kan testerna beskrivas som en omvänd överborrning. För att utföra testerna införskaffades trådtöjningsgivare och givarhållare av samma typ som används i Vattenfalls Borrecell av typen Borre III (Sjöberg m.fl 2003). En provkropp borrades ur med ett genomgående centrerat borrhål med en diameter på 36,6 mm vilket är samma diameter som borras i pilothålet vid överborrningsmetoden. Givarna installerades sedan i borrhålet på mitten av provkroppen.

Givaruppsättningen i borrcellen består av 9 trådtöjningsgivare som är placerade i tre rosettgivare. De tre rosetterna är placerade på plastspatlar som är placerade runt borrhålsväggen med 120 grader mellan givarna utifrån centrumaxeln. De nio givarna mäter töjningarna i tre riktningar, longitudinell, transversell och 45 grader med avseende på borrhålsaxeln. De tre olika givarna trycks ut mot borrhålsväggen med en

specialdesignad metallkon för få en bra vidhäftning vid limningen. Figur 3.11 visar

givarnas montering på plastspatlarna samt hur limningen av givarna mot insidan av

borrhålsväggen på provkroppen går till.

Figur 3.11 Givarna är placerade på plastspatlar som i sin tur sitter fast på en givarhållare i metall (t.v).

Vid installation förs en metallkon ned i givarhållaren som trycker givarna ut mot borrhålsväggen vid limning (t.h).

3.5.1 Tidigare utförda spänningsmätningar

Flera tester har utförts innan en bra metod anpassats för att skapa en spänning i ballasten som utbreder sig på mantelytan på provkroppen. I detta kapitel redovisas tidigare utförda spänningsmätningar. De tidigare utförda spänningsmätningarna motiverar

testförehavandet till sprängtesterna med en aktivt ansatt spänning.

Testcylindern provades när den färdigställts för att testa uppförandet på testutrustningen.

Ballast tillreddes enligt receptet i tabell 3.3 och en provkropp förbereddes med ett uppborrat hål på 36,6 mm. Packningen av ballasten genomfördes på samma sätt som i metodbeskrivningen i kapitel 3.2.3. Endast bultar användes för att spänna ner stållocket mot ballasten.

Bultarna drogs systematiskt med ett kvarts bultvarv per åtdragning, dvs. den översta bulten i förbandet drogs ett kvarts varv. Därefter den näst översta osv. till hela förbandet hade spänts ett kvarts varv. Därefter gjorde vi likadant i förbandet motsols och förloppet återupprepades tills alla bultar gav ett önskat moment. Momentet i bultarna påfördes i stegen 20,40,60 och 80 Nm/bult. Bultarna i förbanden har ett förspänningsmoment på 80 Nm. Detta innebär att de ska dras till momentet 80 Nm när de används i förband. Därför beslutades det att inte överstiga förspänningsmomentet i testerna.

Testet genomfördes utan komplikationer. Testcylindern geometri deformerades något vid spänningsfallet som uppkommer vid 80 Nm men dessa deformationer var elastiska och vid avlastningen återgick testcylindern till dess ursprungliga form. Detta test

återupprepades en gång utan komplikationer.

Provkroppen och testutrustningen var intakta efter att de utsatts för spänningsnivåerna som uppkommer när samtliga bultar i förbanden erhållit ett moment på 80 Nm.

Spänningsmätningar utfördes därefter med trådtöjningsgivare monterade i en uppborrad provkropp. Spänningsmätningar utfördes i spänningsläget som uppkommer när samtliga bultar i förbanden erhållit ett moment motsvarande 20 och 40 Nm/bult. Töjningarna loggades under åtdragning av bultarna till 20 Nm/bult. Efter åtdragning loggades töjningarna i 5 minuter för att undersöka om spänningarna kvarstod i testcylindern.

Därefter loggades töjningarna när momentet i bultarna ökades till 40 Nm/bult.

Strax innan bultarna erhållit momentet 40 Nm sprack en svets på testcylindern. Svetsen lagades och testcylindern förstärktes med två stycken liv av stål. Figurerna 3.12-a och 3.12-b visar testcylindern med och utan stålliv.

Figur 3.12-a Testcylinder utan liv.

Figur 3.12-b Testcylinder med svetsat liv.

Testet som är beskrivet ovan återupprepades och när provcylindern tömdes på dess

innehåll upptäcktes det ett brott i provkroppen. Brottytan propagerade radiellt i

provkroppen och brottytan påminde om ett dragbrott. Figur 3.13 visar den trasiga

provkroppen.

Figur 3.13 Trasig provkropp.

I analysen av töjningsdata från det andra testet konstaterades att provkroppen spruckit redan innan bultarna erhållit momentet 20 Nm. Töjningsdata från det första testet visade att töjningsminskningar inträffat i samband med att svetsen sprack i testcylinder. Detta indikerar att sprickbildning eventuellt inträffat i provkroppen som en konsekvens av dynamiska krafter i samband med att svetsen sprack. Om sprickor bildats i provkroppen kan de förklara varför brott inträffade i det andra testet. Efter beräkning av

spänningssituationen runt hålrummet i provkroppen påvisades det höga dragspänningar.

Dragspänningarna var inte av den magnituden att de överskred den magnetiska finbetongens draghållfasthet men de kan eventuellt förklara brottet i provkroppen.

Testet upprepades med provkroppen utan trådtöjningsgivare. Vid detta test sprack ej provkroppen. Därför beslutades det att borra en ny testcylinder med nya

trådtöjningsgivare. Testförloppet genomfördes på samma sätt som ovanstående försök.

Resultatet av dessa tester var att provkroppen sprack vid åtdragning mellan 20 och 40 Nm/bult. Brottet på provkroppen var ungefär likartat som det tidigare. Uppenbarligen finns det stor risk för brott i provkroppen för testförehavandet som är beskrivet ovan.

Testerna utfördes därefter med åtdragningsmomenten 15 och 30 Nm/bult. Ett nytt

åtdragningsförehavande tillämpades i testerna för att bättre distribuera spänningarna i

ballasten. Åtdragningsmönstret är beskrivet i kapitel 3.2. För att minska ballastens

expansion längs testcylinderns axial tillverkades kilar för att spänna ner stålplattan mot

ballasten. En minskad expansion av ballasten bör minska de axiella dragspänningarna i

provkropparna. Denna metod är den som har tillämpats i examensarbetets tester. Brott har

inte observerats i provkroppen under dessa tester.

3.5.2 Testutförande för spänningsmätningar

Spänningstesterna har genomförts med utrustning lånad från Testlab vid Luleå Tekniska Universitet. Trådtöjningsgivarna kopplades upp mot en datalogger av typen MGC plus, se figur 3.14 nedan.

Figur 3.14 Figuren visar den utrustning som använts vid spänningsmätningarna. T.v. visas

testuppställningen vid spänningsmätningarna. T.h syns den datalogger som använts vid loggning av trådtöjningsdata.

Rosettgivarna från Vattenfalls Borre III system är konstruerade för att mäta

resistansändringar med mätintervall ner till 3 s. Detta genomförs genom att resistansen mäts när en strömstyrka på 20 mA genereras i rosettgivarna under 0,2 sekunder vid varje mätpunkt. Problemet med dataloggern är att den vid mätning genererar en konstant ström genom trådtöjningsgivarna. Denna ström ger upphov till värmeutveckling som påverkar resistansen i givarna. Resistansändringar som således resulterar i töjningsändringar. Innan spänningstesterna korrigerades töjningsändringarna som uppkommer vid

temperaturökningen genom att starta loggningen av givarna minst 15 minuter före spänningsökningen i bultförbanden påbörjades. Efter några testloggningar har vi sett att töjningarna som uppmäts i givarna stabiliserar sig på en jämn nivå efter ca 10-15 minuter loggning. De uppmätta töjningarna i loggern nollställs innan spänningsökningen i

provuppställningen kan påbörjas.

Packningen av ballasten och åtdragningen i bultförbanden genomförs på samma sätt som vid sprängförsöken. När önskat moment erhållits i bultförbanden loggas

spänningsmätningarna i ytterliggare minst 700 sekunder för att det ska vara möjligt att

undersöka om spänningarna är konstanta efter åtdragning. Stålcylindern töms sedan på dess innehåll och ballasten som används vid testet siktas för att undersöka eventuell uppkrossning i materialet till följd av spänningsökningen.

Töjningsdatan från MGC-enheten sparas efter ett genomfört test i en Excelfil där samtliga töjningar vid varje loggningfrekvens har registrerats. I programmet Catman (version 5.0) skapas kurvor för töjningsändringarna som har genererats i testförsöket. Eftersom

loggningen av töjningarna påbörjades 15 minuter innan en ökad spänning ansätts i testcylindern kan eventuella töjningsändringar till följd av temperaturökningar urskiljas.

De uppmätta töjningarna i testerna ska sedan omräknas till normal och skjuvspänningar i provkroppen. För detta används Duncan & Famas ekvationer (Duncan & Fama 1980) vilka är de samma som används för att analysera töjningar i samband med överborrning.

De redovisas nedan.

)

2 (

2 z z x y

E ε = σ − υ σ + σ (Ekv. 3.1)

[ x y xy ] z

y

x K K

K

E ₂ ε _θ = ₁ ( σ + σ ) − ₂ ( σ − σ ) cos 2 θ + 2 τ sin 2 θ − ₄ σ (Ekv. 3.2)

[ ^{τ θ τ θ} ]

γ _{θ 3} cos sin

2 z K yz xz

E = − (Ekv. 3.3)

där

1

1 K

K = (Ekv. 3.4)

( ) 2

2 2

2 2 1 K

K = − υ (Ekv. 3.5)

( ₂ ) ₃

3 4 1 K

K = + υ (Ekv. 3.6)

4 2

4 K

K = υ (Ekv. 3.7)

När spänningarna ska beräknas efter de uppmätta töjningarna enligt Vattenfalls Borrecell

är faktorerna K ₁ till K ₄ ansatta till samma enhet. (Lundholm, 2000)

I beräkningarna som har utförts efter testerna har därför K-faktorerna ansatts enligt ekv.

3.8.

4 1

3 2

1 = K = K = K =

K (Ekv 3.8)

Datan från givarna som mäter 45 ^o måste omräknas enligt ekv. 3.9 (Ming Lu 2006) för att kunna ansättas i Duncan & Fama.

( ε ε

_z

)

ε

γ _θ = 2

₄₅

− _θ + (Ekv. 3.9)

Testerna resulterar för varje loggning i 9 stycken töjningsmätningar som sedan ska resultera i 6 stycken obekanta spänningsvariabler. Därför ansätts ekvationerna 3.1, 3.2 och 3.3 (Duncan & Fama 1966) i en beräkningsmatris för att beräkna spänningarna i provkroppen.

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎦

⎤

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎣

⎡

xz yx

xy y

x z

xz yx

xy y

x z

xz yx

xy y

x z

xz yx

xy y

x z

xz yx

xy y

x z

xz yx

xy y

x z

xz yx

xy y

x z

xz yx

xy y

x z

xz yx

xy y

x z

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

a a

τ τ

τ σ

σ σ

τ τ

τ σ

σ σ

τ τ

τ σ

σ σ

τ τ

τ σ

σ σ

τ τ

τ σ

σ σ

τ τ

τ σ

σ σ

τ τ

τ σ

σ σ

τ τ

τ σ

σ σ

τ τ

τ σ

σ σ

96 95

94 93

92 91

86 85

84 83

82 81

76 75

74 73

72 71

66 65

64 63

62 61

56 55

54 53

52 51

46 45

44 43

42 41

36 35

34 33

32 31

26 25

24 23

22 21

16 15

14 13

12 11

=

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎦

⎤

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎣

⎡

3 3 3 2 2 2 1 1 1

z z z z z z

θ θ θ θ θ θ

γ ε ε γ ε ε γ ε ε

(Ekv. 3.10)

Beräkningsmatrisens spänningsvariabler behandlas sedan som en separat matris och det

nya matrissystemet namnsätts enligt ekv 3.11 .

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎦

⎤

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎣

⎡

96 95 94 93 92 91

86 85 84 83 82 81

76 75 74 73 72 71

66 65 64 63 62 61

56 55 54 53 52 51

46 45 44 43 42 41

36 35 34 33 32 31

26 25 24 23 22 21

16 15 14 13 12 11

a a a a a a

a a a a a a

a a a a a a

a a a a a a

a a a a a a

a a a a a a

a a a a a a

a a a a a a

a a a a a a

*

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎦

⎤

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎣

⎡

xz yx xy y x z

τ τ τ σ σ σ

=

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎥ ⎥

⎦

⎤

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎣

⎡

3 3 3 2 2 2 1 1 1

z z z z z z

θ θ θ θ θ θ

γ ε ε γ

ε ε γ ε ε

(Ekv. 3.11)

M x y

Matrissystemet förenklas till följande ekvation.

y x

M ) = ) (Ekv. 3.12)

För att beräkna spänningarna i provkroppen måste ekv 3.12 omvandlas enligt följande omräkning:

Båda leden i ekvation 3.12 multipliceras med den transponerade matrisen M ^T .

( ^{M T M} ) ^{x ) = M T y ) (Ekv. 3.13)}

Båda leden i ekvation 3.13 multipliceras med inversen (M ^T M) ^-1 .

(Ekv. 3.14)

Vänstra ledet bildar en enhetsmatris.

( M ^T M ) ( ⁻¹ M ^T M ) = I

Detta medför att minstakvadratmetoden kan användas för att lösa det överbestämda matrissystemet och ekv. 3.14 kan därför förenklas enligt ekv. 3.15

( M M ) M y

x ) = ^{T − 1 T} ) (Ekv. 3.15)

( ^{M T M} ) ( ^{− 1 M T M} ) ( ^{x ) = M T M} ) ^{− 1 M T y )}

Ekvation 3.15 kan härmed användas för att beräkna spänningarna i provkroppen.

Det är framförallt magnituden av normalspänningarna som verkar på mantelytan av provkroppen som är av intresse för spänningsmätningarna. Eftersom lösningen pekar på att det verkar axiella spänningar i provkroppen finns det inga enkla beräkningsmetoder att tillämpa för att beräkna dessa spänningar. Det faktum att töjningsmätningarna endast har utförts i mitten av provkroppen komplicerar analysen eftersom ingen hänsyn tas till de randeffekter som uppkommer vid provkroppens ändar. Töjningsmätningarna har också endast utförts när rosettgivarna har placerats i samma riktning som bultförbanden. Detta borde resultera i en liten överskattning av de töjningar som uppkommer i provkroppen p.g.a. att cylindern geometri lättare kan deformeras i dessa punkter och ge upphov till en icke cylindrisk form av testcylindern vilket har observerats vid tester med höga

spänningar.

I överborrningsmetoden plockas bergcylindern som har avlastats i testerna upp från borrhålet. Töjningsgivarna bibehålls i cylindern och provet analyseras i en biaxial testkammare. Syftet med detta är att bestämma de elastiska konstanterna för bergmassan och för att upptäcka eventuella problem med givarnas uppträdande. Den överborrade bergcylindern måste vara åtminstone 24 cm lång när biaxial tester ska utföras. Detta krav ställs för att bergcylindern ska passa i biaxialteskammaren. Under testerna utsätts

bergcylindern för radiellt påförda laster på mantelytan och de resulterande töjningarna loggas på borrhålets insida. Testsekvensen innebär både pålastning och avlastning hos bergcylindern för att upptäcka eventuellt icke-elastiska egenskaper hos bergmassan.

Pålastning och avlastning utförs med radiella spänningar inom intervallet 1-10 MPa.

(Sjöberg m.fl 2003)

Biaxialtesterna som utförs på den utborrade bergscylindern i överborrningsmetoden påminner mycket spänningssituationen som provkroppen utsätts på i testuppställningen.

Eftersom de elastiska egenskaperna hos provkroppen är kända sedan tidigare utförda

försök utförda av Daniel Johansson (Johansson m.fl 2007) kan ekvationerna som används

i överborrningens biaxialtester användas för att beräkna den radiellt påförda lasten på

mantelytan. Dragspänningarna i de tidigare utförda spänningstesterna beror troligtvis på

skjuvspänningar mellan ballasten och provkroppen. Dessa ekvationer tar ingen hänsyn till

skjuvspänningar på provkroppen. Därför ska lösningarna från dessa ekvationer beaktas

som uppskattningar på den radiella spänningen som verkar på provkroppen. Ekvationerna

för att beräkna den radiella spänningen i ett biaxialtest redovisas som ekv 3.16 och ekv

3.17. (Ask 2006)