A STUDY OF FAILURE IN FRICTIONAL AND LOW-COHESIVE MATERIALS UNDER THE LOAD OF GROUND ANCHORS THROUGH SMALL-SCALE PHYSICAL MODEL TESTS AND NUMERICAL SIMULATIONS

Forankringsstag, eller ankere, er strukturelle legemer som overfører påførte strekkspenninger til grunnen ved et bestemt dyp. Per dags dato er det begrenset kunnskap på hvordan brudd initieres og propagerer gjennom berg- og løsmasser ved overbelastning av et anker. Dette prosjektet har som mål å studere bruddforløp i friksjons- og lavkohesive materialer som er belastet av et anker, gjennom småskala fysiske modellforsøk og numeriske analyser. Oppsettet til den fysiske modellen består av et transparent testkammer av pleksiglass, en stiv "ankerblokk" og hydraulisk jekk, utstyrt med et kamera, et ekstensometer og lastcelle som kontinuerlig måler bruddutviklingen og lasten idet ankerblokken skyves gjennom prøvene. Resultatene benyttes til å verifisere todimensjonale FEM-modeller i RS2. Last-forskyvnings-reaksjonen til den belastede ankerblokken utviser en karakteristisk oppførsel i alle materialene: 1) Pre-peak (før maksimum), 2) peak (maksimal) last, 3) post-peak (etter maksimum) med avtakende last, og 4) konstant last. Pre-peak oppførsel kjennetegnes av en lineær-elastisk respons til en liten forskyvning av ankeret, typisk mellom 1 og 2 mm. Denne elastiske fasen utgjør om lag 65-95 % av den maksimale lastsverdien. Under post-peak fase utvikles et tydelig avgrenset utrivningslegemene imens lasten gradvis avtar. Det separerte utrivningslegemet løftes av ankeret eller faller av, slik at ankeret utviser tilnærmet konstant last. Resultater fra de fysiske modellforsøkene har vist at det ved små forskyvninger mobiliseres et større volum av materialet enn det endelige utrivningslegemet som avgrenses av bruddflatene. Brudd initieres fra et lavt punkt på forankringslengden, opp til ¼ av forankringslengden, avhengig av materialet. Bruddet propagerer oppover med en vinkel til forankringsaksen, og skaper dermed et konisk utrivningslegeme. Vinkelen varierer typisk med noen grader fra peak friksjonsvinkel til materialet. Bruddflatene er rette, kurvede eller en kombinasjon. Sistnevnte ble observert i flerparten av testene. De lav-kohesive materialene utviser liknende oppførsel som friksjonsmaterialene, nemlig brudd som danner et avgrenset bruddlegeme med form som en endevendt konus. Vinkelen til konusen var større enn i friksjonsmaterialene. Peak last var også betydelig høyere, og relatert til materialenes styrke. Peak lastsverdi for både friksjons- og lavkohesive materialer viser at det er en betydelig andel av lasten som ikke kan forklares ved vekten av utrivningslegemet alene. Numeriske simuleringer avdekker at denne økte lasten kan forklares ved tilstedeværelsen av spenningsbuer i materialene. Det vil si, en bue med forhøyet trykk som induserer en vertikal spenningskomponent på forankringslengden, som motsetter seg oppløftsbevegelsen. Vinkelen til denne spenningsbuen er smalere i friksjonsmaterialet enn i lavkohesive materialer, og påvirker formen på bruddlegemet. Bruddflatene studeres ved å spore sonene med maksimal tøyning, i tillegg til punkter med skjær- og tensilbrudd. Peak og residual friksjonsvinkel har tydelig innvirkning på bruddformen i friksjonsmaterialet, mens elastisitetsmodulen har vist seg å ha betydelig innflytelse på vinkelen og omfanget til brudd gjennom de lavkohesive materialene. De numeriske modellene har på en vellykket måte utvidet studien på de fysiske fenomenene rundt dannelsen av spenningsbuer, så vel som utviklingen av brudd i friksjons- og lavkohesive materialer. Spenningsbuer er identifisert begge materialtypene. Spenningsbueeffekten øker utvilsomt de motsettende spenningene i materialene, og påvirker hvor brudd utvikles. Kohesjon og tensilstyrke påvirker formen til spenningsbuene, og øker utrivningsmotstanden i kohesjonsmaterialene