Laborausziehversuche an vollständig injizierten Felsankern und Kabelankern: Ergebnisse und gewonnene Erkenntnisse
Abstrakt:
An den folgenden Felsankern und Kabelankern wurden Laborausziehtests durchgeführt: Stahlbewehrungsstäbe, glatte Stahlstäbe, glasfaserverstärkte Polymer-Gewindeanker, flexible Kabelanker, IR5/IN-Spezialkabelanker und Minikäfig-Kabelanker. Der Durchmesser der getesteten Bolzen lag zwischen 16 mm und 26 mm. Die Bolzen wurden mit Harz- oder Zementmörtel in eine Sandsteinprobe eingegossen. Die Tests wurden entweder unter konstanten radialen Steifigkeits- oder konstanten Begrenzungsdruck-Randbedingungen durchgeführt, die auf die äußere Oberfläche der Gesteinsprobe ausgeübt wurden. Bei den meisten Tests betrug die Verschiebungsgeschwindigkeit etwa 0,02 mm/s. Die Tests wurden auf einer ausziehbaren Bank durchgeführt, die die Prüfung einer Vielzahl von Parametern ermöglicht. Dieses Papier stellt eine umfangreiche Datenbank mit Ergebnissen von Laborauszugstests bereit und bestätigt den Einfluss des Begrenzungsdrucks und der Einbettungslänge auf die Auszugsreaktion (Gesteinsanker und Kabelanker). Es unterstreicht auch die Empfindlichkeit der Ergebnisse gegenüber den Betriebsbedingungen und dem Verhalten der Probe als Ganzes, die nicht vernachlässigt werden kann, wenn die Testergebnisse zur Beurteilung der Bolzen-Mörtel- oder der Mörtel-Fels-Grenzfläche verwendet werden.
Einführung
Vollständig injizierte Felsanker und Kabelanker sind zwei Verstärkungstechniken, die im Tiefbau und Bergbau weit verbreitet sind. Diese Unterstützungssysteme vereinen Effizienz, Flexibilität, einfache Installation und niedrige Kosten (Stillborg, 1994; Fine, 1998). Aufgrund dieser Vorteile werden sie häufig im Untergrund eingesetzt, um die Sicherheit entlang von Straßen und großen Öffnungen zu verbessern.
Im Allgemeinen besteht ein Felsanker oder Kabelanker aus einer Stange, die in ein Bohrloch eingeführt wird, in einen Boden oder eine Gesteinsmasse gebohrt und dort mittels einer Vorrichtung verankert wird (Windsor, 1992; Windsor und Thompson, 1996). Vollständig injizierte Bolzen bestehen aus vier Elementen: der Stange, dem umgebenden Boden, der inneren Befestigung an der Bohrlochwand und der äußeren Befestigung an der Aushuboberfläche. Das Hauptmerkmal vollständig injizierter Bolzen besteht darin, dass sie nur dann eine Stützwirkung entfalten, wenn der umgebende Boden versucht, sich zu verformen; es handelt sich also um passive Verstärkungssysteme (Tincelin und Fine, 1991).
Weltweite Erfahrungen deuten darauf hin, dass das Versagen von vollständig injizierten Bolzen höchstwahrscheinlich an der Schnittstelle zwischen Bolzen und Mörtel auftritt, und zwar durch einen Ablösungsprozess, der beginnt, wenn die Axialkraft auf den Stab einen kritischen Wert überschreitet, und sich dann entlang der Schnittstelle ausbreitet (Goris, 1990; Hyett et al., 1992, 1995; Kaiser et al., 1992; Stillborg, 1994; Li und Stillborg, 1999; Moosavi et al., 2005). Kürzlich wurden analytische Lösungen für den Debonding-Prozess vorgeschlagen (z. B. Li und Stillborg, 1999; Ren et al., 2010; Blanco-Martín et al., 2011). Diese Lösungen berücksichtigen jedoch nicht explizit das normale Verhalten der Schnittstelle. Mit Unterstützung des Forschungsfonds für Kohle und Stahl (RFCS) der Europäischen Kommission wurde im Rahmen des PROSAFECOAL-Programms (Papamichalis et al., 2010) eine neue ausziehbare Bank entworfen und kalibriert, um mehr Einblick in die Reaktion von zu gewinnen Vollständig vergossene Bolzen (axiale und normale Richtung). Diese Bank, beschrieben in Blanco-Martín (2012) und Blanco-Martín et al. (2013, 2016) ermöglicht die Prüfung mehrerer Bolzen und die Untersuchung des Einflusses verschiedenster Parameter, wie zum Beispiel des Einschlussdrucks, der Verankerungslänge, der Rauheit der Bohrlochwand oder der Dicke des Vergussrings. Darüber hinaus kann das Versagen an der Bolzen-Mörtel- oder der Mörtel-Fels-Grenzfläche untersucht werden. Blanco-Martín et al. (2013) schlugen ein Verfahren zur Bewertung der Reaktion der Bolzen-Mörtel-Grenzfläche auf der Grundlage experimenteller Ergebnisse und theoretischer Überlegungen vor und schlugen eine semiempirische Formulierung des Grenzflächenverhaltens (axiale und normale Richtungen) für harzinjizierte Stahlbewehrungsstäbe und glasfaserverstärktes Polymer vor (FRP) Felsanker.
Da die Bodenschätze in Europa immer knapper werden, suchen Bergbauunternehmen tiefer unter der Erde, um die Bedürfnisse ihrer Kunden zu erfüllen und ihre Aktivitäten aufrechtzuerhalten. In großer Tiefe sind die Belastungen höher und die Unterstützungssysteme müssen intensiviert werden. In diesem Zusammenhang wurde im Rahmen des RFCS AMSSTED-Forschungsprogramms ein neuer Laboraufbau durchgeführt (Hadj-Hassen et al., 2015). In diesem Aufbau wurde ein breites Spektrum an Bolzentypen getestet und die Aufmerksamkeit auf den Einfluss des Begrenzungsdrucks und der Einbettungslänge gerichtet, da zuvor gezeigt wurde, dass diese Parameter einen starken Einfluss auf die Auszugsreaktion haben (Benmokrane et al., 1995; Hyett et al., 1995; Moosavi et al., 2005; Blanco-Martín et al., 2013). Darüber hinaus hat die Durchführung der Tests gezeigt, dass die Ausziehergebnisse sehr empfindlich von den Betriebsbedingungen und der Reaktion der Probe als Ganzes abhängen (z. B. wirkt sich eine Beschädigung der Gesteinsprobe deutlich auf die gemessene Ausziehreaktion aus). Es wurden 52 Tests an Felsankern und 32 Tests an Kabelankern durchgeführt. Die wichtigsten Ergebnisse werden hier vorgestellt.
Dieses Papier ist wie folgt aufgebaut. Zunächst beschreiben wir den im Labormaßstab verwendeten Versuchsstand und den Aufbau, der ein Herausdrehen beim Testen von Kabelbolzen verhindern soll. Anschließend stellen wir das Verfahren zur Probenvorbereitung sowie die Haupteigenschaften der Bolzen, der Vergussmaterialien und der Gesteinsart vor, die zur Vorbereitung der Proben verwendet wurden. Später werden die wichtigsten Ergebnisse für Felsanker vorgestellt, gefolgt von den Ergebnissen für Kabelanker. Für einen bestimmten Schraubentyp und bestimmte Abmessungen lassen sich unsere Ergebnisse gut mit früheren Untersuchungen vergleichen (Benmokrane et al., 1995; Hyett et al., 1995; Moosavi et al., 2005; Ivanovic und Neilson, 2009). Die hier präsentierten experimentellen Daten erweitern die verfügbare Datenbank der Pull-out-Testergebnisse und können sowohl als technische Referenz unter den angegebenen Bedingungen als auch als Mittel zum Vergleich zwischen Modellvorhersagen (die Betriebsbedingungen sowie Probenkomponenten und -verhalten umfassen) verwendet werden ) und Daten im Labormaßstab.
Schlussfolgerungen
In diesem Artikel werden Ergebnisse von Auszugstests vorgestellt, die im Labormaßstab an drei Arten von Felsankern und drei Arten von Kabelankern durchgeführt wurden. Jeder Bolzen wurde mit unterschiedlichen Einbettungslängen und Grenzdrücken getestet. Als Vergussmaterialien wurden Harz und Zement verwendet, und in allen Fällen wurden die Bolzen in eine Sandsteinprobe eingegossen. Die Tests wurden auf einem ausziehbaren Prüfstand durchgeführt, der die Prüfung einer Vielzahl von Parametern ermöglicht. Als Randbedingungen wurden ein konstanter Einschluss oder eine konstante radiale Steifigkeit verwendet. Die vorgestellte Studie wurde unter statischen Bedingungen durchgeführt und ihr Hauptziel besteht darin, die Ablösung an der Bolzenmörtelschnittstelle zu untersuchen.
Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass Grenzflächenhaftung, Reibung und mechanische Verzahnung (Gewindestangen) zum Bolzen-Mörtel-Verbund beitragen. Der Vergleich zwischen den Auszugsergebnissen von glatten und Gewindebolzen zeigt deutlich, dass das Bolzenprofil eine wichtige Rolle spielt: Bei Gewindebolzen ist nicht nur die maximale Belastung größer, sondern auch die Post-Peak-Phase zeigt einen allmählicheren Kraftabfall. Darüber hinaus spiegelt sich das Bolzenprofil in den in der Post-Peak-Phase gemessenen Schwingungen wider, deren Periodizität mit den Eindrücken des getesteten Stabes übereinstimmt.
Die Ergebnisse für HA25- und FRP-Gewindebolzen zeigen insgesamt ähnliche Trends mit einer steifen, quasilinearen Phase vor dem Spitzenwert, gefolgt von einem Abfall der Steifigkeit, einer maximalen Kraft und schließlich einer Phase nach dem Spitzenwert, in der die Axialkraft auf einen Restwert abnimmt Wert, viel niedriger als die Spitzenkraft. Je nach Einspanndruck kommt es zu Schwingungen der Last entsprechend dem Bolzenprofil; Diese Schwingungen sind bei hohen Drücken weniger deutlich, bei denen der Mörtel zwischen den Schraubenunebenheiten geschert wird. Die Betriebsbedingungen in radialer Richtung beeinflussen sowohl das radiale als auch das axiale Ansprechverhalten. In der aktuellen Bankkonfiguration besteht der Vorteil der Verwendung konstanter radialer Steifigkeitsbedingungen darin, dass die begrenzende Druckschwankung zur Schätzung der radialen Verschiebung verwendet werden kann. Die für Kabelanker erhaltenen Ergebnisse sind ebenfalls konsistent und zeigen ähnliche Trends wie Felsanker, wobei die axiale Last-Verschiebung-Beziehung vier verschiedene Phasen aufweist und das Bolzenprofil und die Geometrie in der Post-Peak-Phase beobachtet werden. Die für Felsanker und Kabelanker erhaltenen Ergebnisse zeigen jedoch erhebliche Unterschiede in der Post-Peak-Phase, wobei bei Felsankern ein deutlich steilerer Lastabfall zu verzeichnen ist. Zwei wahrscheinliche Gründe für diesen Unterschied sind der Stabtyp (massiv gegenüber anfänglich verdrillten Drähten) und das Bolzenprofil (Geometrie der Vertiefungen).
Das Profil der Mini-Cage-Kabelbolzen verursachte schwere Schäden an der Gesteinsprobe. Bei den IR5/IN-Bolzen waren die Auszugsergebnisse sehr empfindlich von der Konfiguration am freien Ende. Diese Ergebnisse verdeutlichen zusammen mit dem radialen Bruch, der häufig bei niedrigen Begrenzungsdrücken (Gesteinsanker und Kabelanker) auftritt, die Schwierigkeit, das Verhalten der Bolzen-Mörtel-Schnittstelle anhand von Rohdaten zum Herausziehen zu beurteilen, und auch die Bedeutung der Berücksichtigung des Verhaltens von Betrachten Sie zunächst die Probe als Ganzes, bevor Sie sich auf die Schnittstelle konzentrieren. Um die Grenzflächenreaktion genau zu untersuchen, sollte die Laborkonfiguration so einfach wie möglich gehalten werden, um die Unsicherheit bei den Messungen und den zugrunde liegenden Prozessen (Bruchbildung, Gesteinsreaktion, Laborkalibrierung usw.) zu verringern.
Die präsentierten Ergebnisse stimmen mit früheren Ergebnissen von Auszugstests an ähnlichen Felsankern und Kabelankern überein und stellen eine umfangreiche Datenbank mit Ergebnissen im Labormaßstab dar, die sich auf den Einfluss des Begrenzungsdrucks und der Einbettungslänge auf die Auszugsreaktion konzentrieren vollständig vergossene Bolzen. Diese Daten können sowohl als technische Referenz unter den angegebenen Bedingungen als auch als Mittel zum Vergleich zwischen Modellvorhersagen (die Betriebsbedingungen sowie Probenkomponenten und -verhalten umfassen) und Daten im Labormaßstab verwendet werden.
