Pruebas de extracción en laboratorio de pernos para roca y pernos para cables completamente inyectados: resultados y lecciones aprendidas

Abstracto:

Se realizaron pruebas de extracción en laboratorio con los siguientes pernos para roca y pernos para cables: barras de refuerzo de acero, barras de acero lisas, pernos roscados de polímero reforzado con fibra de vidrio, pernos para cables flexibles, pernos para cables especiales IR5/IN y pernos para cables Mini-jaula. El diámetro de los pernos ensayados estaba entre 16 mm y 26 mm. Los pernos se inyectaron en una muestra de arenisca utilizando lechadas de resina o cemento. Las pruebas se realizaron bajo rigidez radial constante o condiciones límite de presión de confinamiento constante aplicadas sobre la superficie exterior de la muestra de roca. En la mayoría de las pruebas, la tasa de desplazamiento fue de aproximadamente 0,02 mm/s. Las pruebas se realizaron utilizando un banco extraíble que permite probar una amplia gama de parámetros. Este artículo proporciona una extensa base de datos de resultados de pruebas de extracción de laboratorio y confirma la influencia de la presión de confinamiento y la longitud de empotramiento en la respuesta de extracción (pernos de roca y pernos de cable). También destaca la sensibilidad de los resultados a las condiciones de operación y al comportamiento de la muestra en su conjunto, que no puede descuidarse cuando los resultados de las pruebas se utilizan para evaluar la interfaz perno-lechada o la interfaz lechada-roca.

Introducción

Los pernos para roca y los pernos para cables completamente inyectados son dos técnicas de refuerzo ampliamente utilizadas en ingeniería civil y minera. Estos sistemas de soporte combinan eficiencia, flexibilidad, facilidad de instalación y bajo costo (Stillborg, 1994; Fine, 1998). Debido a estas ventajas, se utilizan ampliamente en el subsuelo para mejorar la seguridad a lo largo de carreteras y grandes aberturas.

En términos generales, un perno para roca o perno para cable consiste en una barra insertada en un pozo que se perfora en un suelo o macizo rocoso y se ancla al mismo mediante un dispositivo (Windsor, 1992; Windsor y Thompson, 1996). Los pernos completamente inyectados comprenden cuatro elementos: la barra, el terreno circundante, la fijación interna a la pared del pozo y la fijación externa a la superficie de excavación. La principal característica de los pernos totalmente inyectados es que sólo brindan acción de soporte si el terreno circundante intenta deformarse; por tanto, son sistemas de refuerzo pasivo (Tincelin y Fine, 1991).

La experiencia mundial sugiere que la falla de pernos completamente inyectados ocurre con mayor probabilidad en la interfaz perno-lechada, mediante un proceso de desunión que comienza si la fuerza axial sobre la barra excede un valor crítico y luego se propaga a lo largo de la interfaz (Goris, 1990; Hyett et al., 1992, 1995; Kaiser et al., 1992; Stillborg, 1994; Li y Stillborg, 1999; Moosavi et al., 2005). Recientemente se propusieron soluciones analíticas para el proceso de desunión (por ejemplo, Li y Stillborg, 1999; Ren et al., 2010; Blanco-Martín et al., 2011). Sin embargo, estas soluciones no tienen en cuenta explícitamente el comportamiento normal de la interfaz. Con el apoyo del Fondo de Investigación del Carbón y el Acero (RFCS) de la Comisión Europea, se diseñó y calibró un nuevo banco extraíble en el contexto del programa PROSAFECOAL (Papamichalis et al., 2010) para obtener más información sobre la respuesta de Pernos completamente inyectados (direcciones axial y normal). Este banco, descrito en Blanco-Martín (2012) y Blanco-Martín et al. (2013, 2016), permite probar varios pernos e investigar la influencia de una amplia variedad de parámetros, como la presión de confinamiento, la longitud del empotramiento, la rugosidad de la pared del pozo o el espesor del anillo de lechada. Además, se puede estudiar la falla en la interfaz perno-lechada o lechada-roca. Blanco-Martín et al. (2013) sugirieron un procedimiento para evaluar la respuesta de la interfaz perno-lechada a partir de resultados experimentales y consideraciones teóricas, y propusieron una formulación semiempírica del comportamiento de la interfaz (direcciones axial y normal) para barras de refuerzo de acero con lechada de resina y polímero reforzado con fibra de vidrio. (FRP) pernos de roca.

A medida que los recursos minerales están disminuyendo en Europa, las empresas mineras están buscando en zonas más profundas para satisfacer las necesidades de los clientes y mantener sus actividades. A gran profundidad, las tensiones son mayores y es necesario intensificar los sistemas de soporte. En este contexto, se ha llevado a cabo una nueva configuración de laboratorio extraíble en el marco del programa de investigación RFCS AMSSTED (Hadj-Hassen et al., 2015). En esta configuración, se ha probado una amplia gama de tipos de pernos y se ha centrado la atención en la influencia de la presión de confinamiento y la longitud de empotramiento, ya que previamente se ha demostrado que estos parámetros tienen un fuerte efecto en la respuesta de extracción. (Benmokrane et al., 1995; Hyett et al., 1995; Moosavi et al., 2005; Blanco-Martín et al., 2013). Además, la ejecución de las pruebas ha demostrado que los resultados de extracción son muy sensibles a las condiciones de operación y a la respuesta de la muestra en su conjunto (por ejemplo, el daño de la muestra de roca afecta notablemente la respuesta de extracción medida). Se han realizado cincuenta y dos ensayos con pernos para roca y treinta y dos ensayos con pernos para cables, y aquí se presentan los principales hallazgos.

Este artículo está organizado de la siguiente forma: Primero, describimos el banco experimental utilizado a escala de laboratorio y la configuración diseñada para evitar que se desenrosquen al probar los pernos de los cables. Luego, presentamos el procedimiento de preparación de las muestras, así como las principales características de los pernos, los materiales de lechada y el tipo de roca utilizada para preparar las muestras. Posteriormente se presentan los principales resultados obtenidos para pernos de roca, seguidos de los resultados para pernos de cable. Para un tipo y dimensiones de perno determinados, nuestros resultados se comparan bien con investigaciones anteriores (Benmokrane et al., 1995; Hyett et al., 1995; Moosavi et al., 2005; Ivanovic y Neilson, 2009). Los datos experimentales presentados aquí amplían la base de datos disponible de resultados de pruebas de extracción y se pueden utilizar como referencia técnica en las condiciones especificadas y como medio de comparación entre las predicciones del modelo (que incluyen condiciones operativas y componentes de muestra y comportamiento). ) y datos a escala de laboratorio.

Conclusiones

Este artículo presenta los resultados de las pruebas de extracción realizadas a escala de laboratorio en tres tipos de pernos para roca y tres tipos de pernos para cables. Cada perno ha sido probado utilizando diferentes longitudes de empotramiento y presiones de confinamiento. Se han utilizado resina y cemento como materiales de lechada y, en todos los casos, los pernos se han cementado en una muestra de arenisca. Los ensayos se han realizado mediante un banco extraíble que permite probar una amplia gama de parámetros. Se ha utilizado confinamiento constante o rigidez radial constante como condiciones de contorno. El estudio presentado se realizó en condiciones estáticas y su objetivo principal es investigar la desunión en la interfaz del lechada atornillada.

Los resultados experimentales muestran que la adhesión de la interfaz, la fricción y el bloqueo mecánico (barras roscadas) contribuyen a la unión entre perno y lechada. La comparación entre los resultados de extracción de pernos lisos y roscados muestra claramente que el perfil del perno juega un papel importante: no sólo la carga máxima es mayor para los pernos roscados, sino que también la fase posterior al pico muestra una disminución de fuerza más gradual. Además, el perfil del perno se refleja en las oscilaciones medidas en la fase post-pico, cuya periodicidad coincide con las muescas de la barra ensayada.

Los resultados para pernos roscados HA25 y FRP muestran tendencias generales similares, con una fase previa al pico rígida y casi lineal, seguida de una caída de la rigidez, una fuerza máxima y finalmente una fase posterior al pico en la que la fuerza axial disminuye hacia un valor residual. valor, mucho más bajo que la fuerza máxima. Dependiendo de la presión de confinamiento se producen oscilaciones de la carga según el perfil del perno; estas oscilaciones son menos claras para presiones altas, para las cuales se corta la lechada entre las asperezas del perno. Las condiciones de funcionamiento en la dirección radial afectan tanto a la respuesta radial como a la axial. En la configuración de banco actual, la ventaja de utilizar condiciones de rigidez radial constante es que la variación de la presión de confinamiento se puede utilizar para estimar el desplazamiento radial. Los resultados obtenidos para pernos para cables también son consistentes y muestran tendencias similares a las de los pernos para roca, con la relación carga-desplazamiento axial mostrando cuatro fases diferentes, y el perfil y la geometría del perno se observan en la fase posterior al pico. Sin embargo, los resultados obtenidos para pernos para roca y pernos para cable muestran diferencias importantes en la fase posterior al pico, con una disminución de carga mucho más pronunciada en el caso de los pernos para roca. Dos posibles razones de esta diferencia son el tipo de barra (sólida frente a los alambres inicialmente retorcidos) y el perfil del perno (geometría de las muescas).

En cuanto a los pernos de cable Mini-cage, su perfil provocó graves daños a la muestra de roca. En el caso de los pernos IR5/IN, los resultados de extracción fueron muy sensibles a la configuración en el extremo libre. Estos resultados, junto con la fractura radial que a menudo ocurre a bajas presiones de confinamiento (pernos para roca y pernos para cables), resaltan la dificultad de evaluar el comportamiento de la interfaz perno-lechada a partir de datos de extracción sin procesar, y también la importancia de abordar el comportamiento de la muestra en su conjunto antes de centrarse en la interfaz. Para estudiar la respuesta de la interfaz con precisión, la configuración del banco debe mantenerse lo más simple posible para reducir la incertidumbre en las mediciones y los procesos subyacentes (fracturación, respuesta de la roca, calibración del banco, etc.).

Los resultados presentados son consistentes con los resultados de pruebas de extracción anteriores en pernos para roca y pernos para cables similares, y proporcionan una extensa base de datos de resultados a escala de laboratorio, centrándose en la influencia de la presión de confinamiento y la longitud de empotramiento en la respuesta de extracción de pernos completamente cementados. Estos datos se pueden utilizar como referencia técnica en las condiciones especificadas y como medio de comparación entre las predicciones del modelo (que incluyen condiciones operativas y componentes y comportamiento de la muestra) y datos a escala de laboratorio.