Testes de extração em laboratório em tirantes totalmente grauteados e tirantes de cabos: resultados e lições aprendidas

Abstrato:

Testes de arrancamento em laboratório foram realizados nos seguintes parafusos para rocha e parafusos para cabos: vergalhões de aço, barras de aço lisas, parafusos roscados de polímero reforçado com fibra de vidro, parafusos para cabos flexíveis, parafusos para cabos especiais IR5/IN e parafusos para cabos Mini-gaiola. O diâmetro dos parafusos testados ficou entre 16 mm e 26 mm. Os parafusos foram grauteados em amostra de arenito com argamassa de resina ou cimento. Os testes foram conduzidos sob condições de limite de rigidez radial constante ou pressão confinante constante aplicadas na superfície externa da amostra de rocha. Na maioria dos testes, a taxa de deslocamento foi de cerca de 0,02 mm/s. Os testes foram realizados utilizando uma bancada extraível que permite testar uma ampla gama de parâmetros. Este artigo fornece um extenso banco de dados de resultados de testes de arrancamento em laboratório e confirma a influência da pressão de confinamento e do comprimento de embutimento na resposta de arrancamento (parafusos para rocha e parafusos para cabos). Também destaca a sensibilidade dos resultados às condições de operação e ao comportamento da amostra como um todo, que não pode ser negligenciada quando os resultados dos testes são utilizados para avaliar a interface parafuso-graute ou a interface graute-rocha.

Introdução

Os parafusos para rocha e os parafusos para cabos totalmente grautados são duas técnicas de reforço amplamente utilizadas na engenharia civil e de mineração. Esses sistemas de suporte combinam eficiência, flexibilidade, facilidade de instalação e baixo custo (Stillborg, 1994; Fine, 1998). Devido a esses ativos, eles são amplamente utilizados no subsolo para melhorar a segurança ao longo de estradas e grandes aberturas.

Em termos gerais, um parafuso para rocha ou cabo consiste em uma barra inserida em um furo que é perfurada em um solo ou maciço rochoso e ancorada a ele por meio de um acessório (Windsor, 1992; Windsor e Thompson, 1996). Os parafusos totalmente cimentados compreendem quatro elementos: a barra, o solo circundante, a fixação interna à parede do furo e a fixação externa à superfície de escavação. A principal característica dos parafusos totalmente grauteados é que eles só fornecem ação de suporte se o solo circundante tentar deformar-se; portanto, são sistemas de reforço passivo (Tincelin e Fine, 1991).

A experiência mundial sugere que a falha de parafusos totalmente grauteados ocorre mais provavelmente na interface parafuso-graute, por meio de um processo de descolamento que começa se a força axial na barra exceder um valor crítico, e então se propaga ao longo da interface (Goris, 1990; Hyett et al., 1992, 1995; Kaiser et al., 1992; Stillborg, 1994; Li e Stillborg, 1999; Moosavi et al., 2005). Soluções analíticas para o processo de descolamento foram propostas recentemente (por exemplo, Li e Stillborg, 1999; Ren et al., 2010; Blanco-Martín et al., 2011). No entanto, essas soluções não levam em conta explicitamente o comportamento normal da interface. Com o apoio do Fundo de Investigação do Carvão e do Aço (RFCS) da Comissão Europeia, foi concebida e calibrada uma nova bancada extraível no contexto do programa PROSAFECOAL (Papamichalis et al., 2010) para obter mais informações sobre a resposta de parafusos totalmente cimentados (direções axial e normal). Esta bancada, descrita em Blanco-Martín (2012) e Blanco-Martín et al. (2013, 2016), permite testar diversos parafusos, e investigar a influência de uma grande variedade de parâmetros, como a pressão confinante, o comprimento de embutimento, a rugosidade da parede do furo ou a espessura do anel de argamassa. Além disso, a falha na interface parafuso-graute ou na interface graute-rocha pode ser estudada. Blanco-Martín et al. (2013) sugeriram um procedimento para avaliar a resposta da interface parafuso-graute a partir de resultados experimentais e considerações teóricas, e propuseram uma formulação semi-empírica do comportamento da interface (direções axial e normal) para vergalhões de aço grauteados com resina e polímero reforçado com fibra de vidro. (FRP) parafusos de rocha.

À medida que os recursos minerais diminuem na Europa, as empresas mineiras procuram mais profundamente no subsolo para satisfazer as necessidades dos clientes e manter as suas atividades. Em grandes profundidades, as tensões são maiores e os sistemas de apoio devem ser intensificados. Neste contexto, foi realizada uma nova configuração laboratorial no âmbito do programa de investigação RFCS AMSSTED (Hadj-Hassen et al., 2015). Nesta configuração, uma grande variedade de tipos de parafusos foi testada, e a atenção foi focada na influência da pressão de confinamento e do comprimento de embutimento, uma vez que foi demonstrado anteriormente que estes parâmetros têm um forte efeito na resposta ao arrancamento. (Benmokrane et al., 1995; Hyett et al., 1995; Moosavi et al., 2005; Blanco-Martín et al., 2013). Além disso, a execução dos testes demonstrou que os resultados de arrancamento são muito sensíveis às condições de operação e à resposta da amostra como um todo (por exemplo, danos na amostra de rocha afetam marcadamente a resposta de arrancamento medida). Foram realizados cinquenta e dois testes em parafusos para rocha e trinta e dois testes em parafusos para cabos, e os principais resultados são apresentados aqui.

Este artigo está organizado da seguinte forma. Primeiro, descrevemos a bancada experimental utilizada em escala laboratorial e a configuração projetada para evitar o desaparafusamento ao testar os parafusos dos cabos. Em seguida, apresentamos o procedimento de preparação das amostras, bem como as principais características dos parafusos, os materiais de grauteamento e o tipo de rocha utilizada na preparação das amostras. Posteriormente são apresentados os principais resultados obtidos para os tirantes, seguidos dos resultados para os tirantes. Para um determinado tipo e dimensões de parafuso, nossos resultados se comparam bem com investigações anteriores (Benmokrane et al., 1995; Hyett et al., 1995; Moosavi et al., 2005; Ivanovic e Neilson, 2009). Os dados experimentais aqui apresentados ampliam o banco de dados disponível de resultados de testes pull-out e podem ser usados ​​tanto como referência técnica sob as condições especificadas, quanto como meio de comparação entre previsões de modelos (que incluem condições operacionais e componentes de amostra e comportamento ) e dados em escala laboratorial.

Conclusões

Este artigo apresenta resultados de testes de arrancamento realizados em escala de laboratório em três tipos de tirantes e três tipos de tirantes. Cada parafuso foi testado usando diferentes comprimentos de embutimento e pressões confinantes. Resina e cimento foram utilizados como materiais de rejuntamento e, em todos os casos, os parafusos foram grauteados em uma amostra de arenito. Os testes foram realizados em uma bancada extraível que permite testar uma ampla gama de parâmetros. Confinamento constante ou rigidez radial constante têm sido usados ​​como condições de contorno. O estudo apresentado foi realizado em condições estáticas e tem como principal objetivo investigar o descolamento na interface da argamassa.

Resultados experimentais mostram que a adesão da interface, o atrito e o intertravamento mecânico (barras roscadas) contribuem para a ligação parafuso-junta. A comparação entre os resultados de arrancamento de parafusos lisos e roscados mostra claramente que o perfil do parafuso desempenha um papel importante: não apenas a carga máxima é maior para parafusos roscados, mas também a fase pós-pico mostra uma diminuição de força mais gradual. Além disso, o perfil do parafuso é refletido nas oscilações medidas na fase pós-pico, cuja periodicidade corresponde aos recuos da barra testada.

Os resultados para parafusos roscados HA25 e FRP mostram tendências globais semelhantes, com uma fase pré-pico rígida e quase linear, seguida por uma queda de rigidez, uma força máxima e, finalmente, uma fase pós-pico em que a força axial diminui em direção a um valor residual. valor, muito inferior ao pico de força. Dependendo da pressão confinante, ocorrem oscilações na carga de acordo com o perfil do parafuso; essas oscilações são menos claras para altas pressões, para as quais a argamassa entre as asperezas do parafuso é cisalhada. As condições de operação na direção radial afetam tanto as respostas radiais quanto as axiais. Na configuração atual da bancada, a vantagem de utilizar condições de rigidez radial constante é que a variação da pressão confinante pode ser utilizada para estimar o deslocamento radial. Os resultados obtidos para os parafusos de cabo também são consistentes e mostram tendências semelhantes aos parafusos para rocha, com a relação carga-deslocamento axial mostrando quatro fases diferentes, e o perfil e a geometria do parafuso sendo observados na fase pós-pico. No entanto, os resultados obtidos para os tirantes e para os cabos mostram diferenças importantes na fase pós-pico, com uma diminuição de carga muito mais acentuada no caso dos tirantes. Duas razões prováveis ​​para esta diferença são o tipo de barra (sólida contra fios inicialmente torcidos) e o perfil do parafuso (geometria dos recortes).

Em relação aos parafusos do cabo Mini-gaiola, o seu perfil induziu graves danos à amostra de rocha. No caso dos parafusos IR5/IN, os resultados de arrancamento foram muito sensíveis à configuração na extremidade livre. Esses resultados, juntamente com o fraturamento radial que muitas vezes ocorre em baixas pressões de confinamento (parafusos para rocha e parafusos para cabos), destacam a dificuldade de avaliar o comportamento da interface parafuso-graute a partir de dados brutos de arrancamento, e também a importância de abordar o comportamento de a amostra como um todo antes de focar na interface. Para estudar a resposta da interface com precisão, a configuração da bancada deve ser mantida tão simples quanto possível para reduzir a incerteza nas medições e nos processos subjacentes (fraturamento, resposta da rocha, calibração da bancada, etc.).

Os resultados apresentados são consistentes com resultados de testes de arrancamento anteriores em tirantes e tirantes de cabo semelhantes, e fornecem um extenso banco de dados de resultados em escala de laboratório, com foco na influência da pressão de confinamento e do comprimento de embutimento na resposta de arrancamento de parafusos totalmente cimentados. Estes dados podem ser utilizados tanto como referência técnica nas condições especificadas, como como meio de comparação entre previsões de modelos (que incluem condições de funcionamento e componentes e comportamento de amostras) e dados à escala laboratorial.