Rock anchoring for stabilization of infrastructures with focus on the arching effect and rock-grout bond

Bergforankringer med høy kapasitet blir brukt til å stabilisere skråninger, støttemurer, spuntvegger, samt fundamenter for storskala infrastruktur. Svikt i ankrene setter infrastrukturen i fare og vil føre til alvorlige økonomiske og sosiale konsekvenser. Et berganker kan være oppbygd av et enkelt massivt stag eller et stag sammensatt av flere kabler. Disse har en forankret lengde i bunnen der de er festet i bergmassen og videre utover en fri lengde som ytterst, utenfor hullet, er festet i en plate. Den nåværende dimensjoneringen av berganker har noen usikkerheter på grunn av den begrensede kunnskapen om brudd i bergmassen og mellom mørtel og berget. Ny kunnskap innen bergforankring er nødvendig for å forbedre dimensjoneringen av berganker og for å styrke relevant ingeniørutdanning. ROCARC har som mål å utvikle en oppdatert metode for dimensjonering av bergankere. Undersøkelsene inkluderer bl.a. belastningen som overføres mellom ankeret og bergmassen, bruddformen i bergmassen og heftfastheten mellom mørtel og berg. Forskningen har blitt gjennomført gjennom laboratoriemodellprøver, feltforsøk og numerisk modellering. Modellforsøkene har som mål å studere hvordan bergmassen reagerer på belastningen fra ankeret og hvordan bruddet starter og forplanter seg i bergmassen. En to-dimensjonal testrigg har blitt konstruert spesielt for disse modelltestene, der deformasjonen og belastningsoverføringen i modellmaterialene blir overvåket. Feltforsøkene ble utført i et kalkbrudd for å undersøke hvordan ankerbelastningen ble overført til bergmassen og hvordan bergmassen gikk i brudd under ankerlasten. Utprøvningstester av fullskala bergankere ble også utført i det samme kalkbruddet for å studere heftfastheten mellom berget og mørtelen som støper inn ankeret. Numerisk modellering har blitt gjennomført for parameterstudier. I slutten av prosjektet skal det etableres en metodikk for bergankerdimensjonering. Både feltforsøkene og laboratoriemodellprøvingene som har gjennomført så lenge ble viser at belastningsoverføringsbuer blir bygget opp i bergmassen; bergmassens lastekapasitet er betydelig høyere enn den empiriske verdien som er brukt i dagens design; og støpningsmørtelen svikter i forskjellige former avhengig av ankerkonfigurasjoner. Funnene kan brukes til å modifisere dagens bergankerdimensjonering og forbedre fjellforankringsteknologien.

Rock anchors have been widely used in stabilization of large-scale of infrastructures like windmills, concrete dams and bridge towers. The basic principle for dimensioning of rock anchors was developed in the 1970’s and has remained largely unchanged since then. Engineering practisers believe that the current design practise is too conservative and urge to formulate a better and more realistic dimensioning approach. The current principle of dimensioning was formulated largely based on the consideration of the following failure modes: 1) along a cone surface in the rock mass, 2) in the rock-grout bond, 3) in the grout-strand bond, and 4) in the strand. The design for failure Modes 1 and 2 are most uncertain because of the lack of knowledge in the failure pattern of the rock mass under the anchor load and in the determination of the rock-grout bond strength. The project aims to create new knowledge in the uplifting behaviour and failure mode of the rock mass and the characteristics of the rock-grout bond failure, which helps to formulate an updated dimensioning approach for rock anchoring. The project is executed through laboratory tests, field tests and numerical modelling. Laboratory models are constructed with blocks of rock / rock-like materials. The arching effect, displacements and formulation of the failure planes in the blocks are experimentally studied. Field tests are carried out to study the uplifting mechanism and the cone failure in full-scale rock masses through measurements of the rock deformation, stress change, and propagation of the cone fracture with help of extensometers, load cells and a microseismic monitoring system. The dependence of the rock?grout bond strength on the bonded length and borehole diameter will be also studied in the field tests. Numerical modelling is conducted to simulate both the laboratory and field tests and finally a numerical modelling methodology for dimensioning of rock anchors is formulated.