Rock

Transcript

Anmälan: www.befoonline.org Sista anmälningsdagen: 2 februari 2015 Vägbeskrivning: Se www.sl.se Seminarium om Eurokod 5 februari 2015, kl. 13.00–17.00 Plats: ÅF Frösundaleden 2A, Solna Lokal: Renen Avgift: 250 kr exkl. moms. Namnbrickor för anmälda deltagare kommer att finnas vid registreringsdisken i entrén Anmälan är bindande. PROGRAM Kl. 13.00  Inledning  Hur ska vi verifiera vår design?  Hävdvunna metoder  Partial-koefficientmetoden/Sannolikhetsbaserade beräkningar  Observationsmetoden  Geoteknisk kategori Ca kl. 14.40 FIKAPAUS  Gruppdiskussion. Olika metoders tillämpning på några typiska bergmekaniska problem  Redovisning och sammanfattande diskussion Kl. 17.00 Avslut Om Innehållet 2013 anordnade BeFo ett första seminarium om Eurokod. Seminariet blev välbesökt och ett efterföljande seminarium efterfrågades då frågetecken kring arbetet med Eurokod 7 ännu behöver rätas ut. Eurokod 7 (EC7) gäller i Sverige och arbetet med en revidering av Eurokod 7 pågår. Bergarbeten kommer att finnas med i ett kapitel i EC7 som rör undermarksarbeten. Från svensk sida deltar Prof. em. Håkan Stille i det internationella arbetet med att anpassa EC7 för att passa bergmekanikers behov. Vi samlas på ett seminarium för att få en uppdatering om läget och ge svenska synpunkter och kommentarer från branschen. Seminarium / Workshop 5 feb 2015 Eurokod • Seminarium om Eurokod april 2013 • Vad händer med EC7 internationellt? • Hur jobbar svenska ingenjörer inom bergbranschen? Seminarium / Workshop 5 feb 2015 Eurokod • 13.00 Inledning, Per Tengborg / BeFo Lägesrapportering, Håkan Stille / KTH & Geokonsult Stille • Hur ska vi verifiera vår design? Fredrik Johansson / KTH och Robert Swindell / Trafikverket • Hävdvunna metoder, Roger Olsson / Cowi Norge • Partialkoefficientmetoden / Sannolikhetsbaserade beräkningar, Håkan Stille / KTH & Geokonsult Stille • Observationsmetoden, Johan Spross / KTH • Geoteknisk kategori, Håkan Stille / KTH & Geokonsult Stille • 14:40 FIKA • Gruppdiskussion, Alla • Redovisning och sammanfattande diskussion, Per Tengborg / BeFo och Robert Swindell / Trafikverket • 17:00 SLUT VÄLKOMNA! EC7 and Rock Mechanics Håkan Stille BeFo workshop 2015-02-05 Background • The New Eurocode for Geotechnical design EN 1997-1 was introduced in Europe during 2010. • In many countries rock slopes, rock tunnels and rock caverns have been assessed to this category. • In other countries it has been argued that these types of rock mechanic problems have to fall outside the scope of the code. • Work is going on to harmonize and revise the Code Evolution group 13-Rock Mechanics • J.P. Harrison (convenor, UK); • L. Alejano (Spain); A. Bedi (UK); A.M. Ferrero (Italy); L. Lamas (Portugal); J F. Mathier (Switzerland); R. Migliazza (Italy); R. Olsson (Norway); A. Perucho (Spain); A. Sofianos (Greece); H. Stille (Sweden); D. Virely (France) • Detailed recommendations have been given to TC250/SC7 EC 7 of today • The code is not in general applicable for rock mechanics design. • In this is also included hydro-geological applications • The discussed applications are without exception soil mechanics design • The general rules except defintions of geotechnical category can be accepted Highest priority • Soil mechanics and rock mechanics are two equal subjects for the geotechnical design and the code has to be rewritten based on this fact • Tools to verify the design are slightly different • Tools and means with ground investigations are different • Tools and means with control are different Suggestion Restructure of EC7 1. General rules - General - Basis for geotechnical design - Design by calculations - Design by prescriptive measures - Design by testing - Design by observational method • 2. Ground investigation - General - Principles - Investigations of soils - Investigations of rocks - Investigations of ground water situation - Insitu stress measurments • 3. Design of geotechnical constructions • 3.1 Foundations • 3.2 Retaining structures • 3.3 Slopes, cuttings and embankments • 3.4 Soil and rock improvements • 3.5 Underground structure ( each chapter contains general aspects, limit states, action and design situations, design methods and considerations, structural design and execution) Specific rock engineering considerations • Ground investigations (costly and impossible) • Rock mass properties (lab testing is not applicable, emperical based) • Partial factors (not possible, rock structure interaction) • Prescriptive measures ( very common) • Observational method (very common but in an extended form) Conclusion • Rock Mechanical society wants to be an equal part to soil mechancis and that EC7 should be applicable for us. We want to take active part in development of - Prescriptive measures - Observational method - Probabilistic based design Dimensionering och verifiering av teknisk lösning Workshop Eurokod, ÅF 2015-02-05 Fredrik Johansson Division of Soil and Rock Mechanics, Royal Institute of Technology KTH Metoder för verifiering av gränstillstånd ”Enligt EN 1997-1 ska det för varje geoteknisk dimensioneringssituation verifieras att inget relevant gränstillstånd överskrids.” ”Gränstillstånden bör kontrolleras genom en, eller en kombination, av följande metoder • • • • genom beräkningar (analytiska, numeriska, halvempiriska) införande av hävdvunna metoder en observationsmetod modellförsök och provbelastningar” Geoteknisk kategori En 1997-1 ”För att fastställa minimikrav på omfattning och innehåll för de marktekniska undersökningarna, beräkningarna och byggkontrollen ska komplexiteten hos varje geoteknisk dimensionering identifieras tillsammans med tillhörande risker.” ”För att upprätta dimensioneringskrav får tre geotekniska kategorier, 1, 2 och 3, införas.” Geoteknisk kategori är en viktig faktor för hur vi väljer att utföra vår dimensionering. I dagsläget är skrivningen i Eurokod för val av GK inte tillämpbar på tunnlar. Hur bör vi välja GK och hur bör det styra det vilka metoder vi använder vid dimensionering? Gränstillstånd – Metodik för val av metod Geotekniska förutsättningar Geotekniska undersökningar Projektspecifika krav och restriktioner Problemanalys Dimensioneringssituation Styrande geotekniska förutsättningar Analys av metod för kontroll av gränstillstånd Bedömningar om det bärande huvudsystemets beteende Bedömningar om rådande osäkerheter Ekonomisk och teknisk utvärdering utifrån ställda krav på bärförmåga, stadga, beständighet och täthet Beslut Metod för kontroll av gränstillstånd (Efter IEG rapport 5:2010) Vilka metoder bör användas och när? Dimensionering och initiell utformningen av teknisk lösning sker ofta innan drivning av tunnel påbörjats. Innebär osäkerheter i dimensioneringsförutsättningar, vilka bör kontrolleras i samband med tunneldrivning innan slutlig teknisk lösning väljs. När slutlig teknisk lösning valts bör förväntat beteende kontrolleras. TRV Projekteringshandbok Bergkonstruktioner 2014 (Granskningsversion) Vilka metoder bör användas och när? Kan en förstärkning baseras på verifiering av gränstillstånd med enbart en metod, exempelvis beräkningar? (Om ja, när?) Bör bergmekanisk dimensionering alltid utföras inom ramverket för observationsmetoden, där obs metoden kombineras med beräkningar och hävdvunna metoder? Krävs i så fall en strikt tillämpning av observationsmetoden enligt Eurokods definition? TRV Projekteringshandbok Bergkonstruktioner 2014 (Granskningsversion) Hävdvunna metoder Roger Olsson Stockholm 5. Februari 2015 1 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 Vad är hävdvunna metoder? (prescriptive measure) › Enligt Merriam Webster dictionary, › Prescriptive: regler, anvisningar eller instruktioner om hur du ska göra något, baserat på långa sedvanor. › Measure: en uppskattning av vad som kan förväntas (av en situation). › Associated with: erfarenhet, empiriska metoder och väl accepterade praktiska geotekniska lösningar. 2 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 Geoteknik – ett enkelt hus på en platt terräng och där grundförhållen är kända. 3 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 Andra mindre geotekniska arbeten 4 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 Enkel fundamentering på berg? 5 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 Text in EC 7 – two rules, number 1: › (A)"In design situations when calculation models are not available or not necessary, exceeding limit states may be avoided by the use of prescriptive measures. - A long tunnel with rock support, (a few sections have been calculated, the remaining sections will be designed according to Prescriptive measures or the Observation method). - A rock cut where a minor key block is exposed and practice is used to design the rock support. 6 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 Text in EC 7 – two rules, number 1, forts.: › (B)These involve conventional and generally conservative rules in the design, and attention to specification and control of materials, workmanship, protection and maintenance procedures". 7 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 Text i EC 7 – två regler, nummer 2: › "Design by prescriptive measures may be used where comparable experience, as defined in 1.5.2.2 makes design calculations unnecessary. It may also be used to ensure durability against frost action and chemical or biological attack, for which direct calculations are not generally appropriate". 8 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 Comparable experience as defined in 1.5.2.2 of EC7: ›"documented or other clearly established information related to the ground being considered in design, involving the same types of soil and rock and for which similar geotechnical behaviour is expected, and involving similar structures. Information gained locally is considered to be particularly relevant". 9 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 From GEO in Hong Kong 10 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 • Pre-determined, experience-based prescriptive measures • Suitable conservative modules of works • Solutions without need for detailed ground investigations and design analysis • Design has to be done by professional qualified engineers with experienced form Hong Kong. Dam injektering Tumregler för design av injekteringsskärmar under damer. 11 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 Hoek (1999) övervägde och använda seg av empiriske metoder (og därmed hävdvunna metoder) i bergbyggnad. Val av design metod är beroende på bergmassans sammansättning och uppförande. 12 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 Hoek E. 1999. Putting numbers to geology — an engineer's viewpoint. Classification systems vs rock support RMR, Q-system, RMi, etc Rock mass class Excavation I - Very good rock RMR: 81100 II - Good rock RMR: 61-80 Full face, 3 m advance. III - Fair rock RMR: 41-60 Top heading and bench 1.5-3 m advance in top heading. Commence support after each blast. Complete support 10 m from face. Top heading and bench 1.0-1.5 m advance in top heading. Install support concurrently with excavation, 10 m from face. Multiple drifts 0.5-1.5 m advance in top heading. Install support concurrently with excavation. Shotcrete as soon as possible after blasting. IV - Poor rock RMR: 21-40 V – Very poor rock RMR: < 20 13 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 Full face , 1-1.5 m advance. Complete support 20 m from face. Rock bolts (20 mm Shotcrete Steel sets diameter, fully grouted) Generally no support required except spot bolting. Locally, bolts in crown 3 m long, spaced 2.5 m with occasional wire mesh. Systematic bolts 4 m long, spaced 1.5 - 2 m in crown and walls with wire mesh in crown. Systematic bolts 4-5 m long, spaced 1-1.5 m in crown and walls with wire mesh. 50 mm in crown where required. None. 50-100 mm in crown and 30 mm in sides. None. 100-150 mm in crown and 100 mm in sides. Light to medium ribs spaced 1.5 m where required. Systematic bolts 5-6 m long, spaced 1-1.5 m in crown and walls with wire mesh. Bolt invert. 150-200 mm in crown, 150 mm in sides, and 50 mm on face. Medium to heavy ribs spaced 0.75 m with steel lagging and forepoling if required. Close invert. - Shape: horseshoe - Width: 10 m - Vertical stress: < 25 MPa - Drill & Blast Rock Mass Rating system (Bieniawski, 1989) Q-system 14 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 Originally Barton, Lien, Lunde (1973) Adopted by the Norwegian Road Authority Publication 021 Road tunnels 15 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 Rockmass Rock condition class Q-value Minor jointed rockmass. A/B Average joint space > 1m. Q = 10 – 100 C Moderate jointed rockmass. Average joint space, 3 – 1 m. Q = 4 – 10 D Dense jointed rockmass or stratified schist rockmass. Average joint space < 0,3 m. Q=1–4 Very poor rockmass quality Q = 0,1 – 1 E F Extremely poor rockmasse quality. Q = 0,01 – 0,1 G Exceptionally poor rockmass quality, mainly soil Q < 0,01 Rock support class Permanent support Rock support class I - spot bolting - Sprayed shotcrete B35 E700, Thickness 80 mm, down to 2 m above the floor Rock support class II - Systematic bolting(c/c 2 m), anchored, pre-tensioned, grouted - Sprayed shotcrete B35 E700, Thickness 80 mm, down to the floor Rock support class III - Sprayed shotcrete B35 E1000, thickness 100 mm or more - Systematic bolting (c/c 1,5 m), anchored, Anchor bolts grouted by the time or grouted directly Rock support class IV - Spiling bolts when Q < 0,2, ø25 mm, maximum c/c 300 mm - Sprayed shotcrete B35 E1000, thickness 150 mm - Systematic bolting, c/c 1,5 m, grouted - Reinforced ribs of sprayed concrete when Q < 0,2, Rib dimension E30/6 ø20 mm, c/c 2 – 3 m, Systematic bolts for the ribs c. 1,5 m, length 3 – 4 m - Floor cast shall be evaluated Rock support class V - Spiling bolts, c/c 200 – 300 mm, ø32 mm or bar (self-drilled ). - Sprayed shotcrete B35 E1000, thickness 150 – 250 mm - Systematic bolting, c/c 1,0 – 1,5 m, grouted - Reinforced ribs of sprayed concrete, Rib dimension D60/6+4, ø20 mm, c/c 1,5 – 2 m, Systematic rockbolts for the ribs c. 1,0 m, length 3 – 6 m - Reinforced floor cast, arrow height minimum 10 % of tunnel width Rock support class VI - Excavation and permanent rock support has to be dimensioned special. 16 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 Olsson & Palmstøm, 2014 Tack för meg! 17 5 FEBRUAR 2015 EUROKODE 7 Partial factors in rock mechanics Professor Håkan Stille BeFo workshop 2015-02-05 Principles • Ultimate and serviceability limit states approach • Design values R*  E * R  * Rk R E *  Ek  E • The characteristic value of a material parameter will in general be a 5% fractile value, a geotechnical parameter shall be selected as a cautious estimate of the value affecting the occurrence of the limit state Design approach DA1, DA2 and DA3 Theoretical background X  mk  a i s i  * Xk m xki is the characteristic value of variable i mi is the mean of variable i ai is the sensitivity factor of variable i si is the standard deviation of variable i What do we mean by characteristic value? m  Xk mi (1  a i  covi ) • If characteristic value is equal to mean value it will give variable partial factor • If characteristic value will be a fractile µ(1-kcov) the partial factor may be chosen as constant Requirements for using the partial factor method • Bearing capacity R and loading effect S are independent of each other like the load on a bridge and the strength of the concrete. • The sensitivity factors are more or less independent of the value of the parameters and can be regarded as constant for a given type of problem Special issues • Sensitivity factors may vary with the uncertainties of the parameters • Mean value and standard deviation depends on level of knowledge, type of problem and spatial variability. • Subjective assessment of the parameters Partial factor method Safety margin Partial factors on action effect may give over-safe design Partial factors to action effect Strength/stress ULS- safety margin Max deformation Partial factors will give an unsafe design True safety margin Max deformation Partial factor on the strength will be unsafe Supplement for geotechnical design • In some design situations, the application of partial factors to actions coming from or through the soil (rock) could lead to design values, which are unreasonable or even physically impossible • This is typical for rock- structure interaction problems in tunnel support • The partial factors may be applied directly to the effect of actions Block stability problem Conceptual model All stages occur at once but for the ease of understanding it divides into stages Application of the new analytical solution to sensitivity analysis Limit state function Critical sensitivity factors Conclusion: If Block stability should be analyzed with partial factor the uncertainty in top apical angle and friction angle must both be small and known otherwise will the Sensitivity factors not be constant Conclusion • Is partial factor applicable in rock mechanics? • Or how should we carry out the design? Design based on probabilistic methods Professor Håkan Stille BeFo workshop 2015-02-05 Necessary building-blocks Eurocode acceptance Accepted methods Defined acceptance limits Handling uncertainties Types of uncertainties Describing uncertainties Calculation methods Reliability calculations Support in Eurocode 1990 for using reliability-based design 3.5 Limit state design .5) As an alternative, a design directly based on probabilistic methods may be used. • • NOTE 1 The relevant authority can give specific conditions for use. NOTE 2 For a basis of probabilistic methods, see Annex C. C4 Overview of reliability methods – full probabilistic methods (Level III), and – first order reliability methods (FORM) (Level II). Theoretical background • Probability of failure, pf • Safety index, β • Partial factors, γ Pf =Φ(-β) m  Xk i (1   i  covi ) Consequences classes (EN1990) Consequemces class Description CC1 High consequences for loss of human life, or economic, social or environement consequences very great CC2 Medium consequences for loss of human life, or economic, social or environement consequences considerbale CC3 Low consequences for loss of human life, or economic, social or environement consequences small or negligible Reliability classes • The reliability classes (RC) may be defined by the β reliability index concept • Three reliability classes RC1, RC2 and RC3 may be associated with the three consequences classes CC1, CC2 and CC3. Minimum values for safety index • KReliability class 1 year ref.period 50 years ref period RC3 5.2 4.3 RC2 4.7 3.8 RC1 4.2 3.3 • Safety index for class RC2 • Limit states can be defined • Analytical solutions – First order reliability methods- mean value and standard deviations gives safety index – Monte Carlo simulations gives probablity of failure • Numerical solutions – Point estimate, - mean value and standard deviations gives corresponding values for required parameters – Stocastic FEM Issues to be discussed • • • • Can probabilistic methods be used? Do we need courses and educations? Interpretation of the concept of probability? Bayesian approach? KTH ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY Observationsmetoden – Vad, när, hur? Johan Spross – BeFo Eurokodseminarium 2015 Observationsmetoden – Har du använt den? OBSERVATIONSMETODEN – JOHAN SPROSS 2015-02-05 2 Bakgrund Observationsmetoden utvecklades av Terzaghi och Peck vid mitten av 1900-talet, som ett svar på hur man kan hantera osäkerheterna i geoteknisk konstruktion. Farligt! • Ett sätt att undvika att vara alltför konservativ eller alltför risktagande. Dyrt och slösaktigt • Peck (1969) OBSERVATIONSMETODEN – JOHAN SPROSS 2015-02-05 3 Vad är observationsmetoden? Eurokodens portalparagraf för metoden: (1) När förutsägelsen av det geotekniska beteendet är svår kan det vara lämpligt att tillämpa den metod som benämns 'observationsmetoden', där dimensioneringen följs upp under byggnadsskedet. Täthetsfunktion Gräns acceptabelt beteende Parameter OBSERVATIONSMETODEN – JOHAN SPROSS 2015-02-05 4 Observationsmetoden – en översikt • Börja med en preliminär design utifrån den information som finns tillgänglig om bergmassan. • Gör planer för (1) hur man ska observera bergets / konstruktionens beteende under byggtiden, (2) vilka åtgärder man ska vidta om konstruktionens beteende är oacceptabelt. • Följ planerna under byggtiden och sätt in åtgärder om så behövs. OBSERVATIONSMETODEN – JOHAN SPROSS 2015-02-05 5 Observationsmetoden kontra konventionell dimensionering Kritiska designfrågor, t.ex. typ av brottmod Finna designparametrar och osäkerheter Återkoppling till design – ta annan förberedd lösning Analys av designproblem, t.ex. uppfylla erforderlig stadga Verifiera teknisk lösning Bedömningar om bergmassans och bärande huvudsystemets beteende Välj designmetod som bäst uppfyller ställda krav och villkor Annan designmetod OBSERVATIONSMETODEN – JOHAN SPROSS Observationsmetoden 2015-02-05 6 5 krav att uppfylla före byggstart (i) Acceptabla gränser för beteendet skall bestämmas. Täthetsfunktion Gräns acceptabelt beteende Parameter OBSERVATIONSMETODEN – JOHAN SPROSS 2015-02-05 7 5 krav att uppfylla före byggstart (ii) Gränserna för möjligt beteende skall beräknas och det skall visas att sannolikheten för att det verkliga beteendet ligger inom de acceptabla gränserna är godtagbar; Sannolikheten för att det verkliga beteendet ligger inom de acceptabla gränserna Täthetsfunktion Gräns möjligt beteende Gräns acceptabelt beteende Parameter OBSERVATIONSMETODEN – JOHAN SPROSS 2015-02-05 8 5 krav att uppfylla före byggstart Täthetsfunktion (iii) En plan för uppföljning skall tas fram som skall visa om det verkliga beteendet ligger inom acceptabla gränser. Uppföljningen skall på ett tillräckligt tidigt stadium klargöra detta och med tillräckligt korta tidsintervall för att framgångsrikt kunna vidta korrigerande åtgärder [sic!]; Gräns acceptabelt beteende ? Parameter OBSERVATIONSMETODEN – JOHAN SPROSS 2015-02-05 9 5 krav att uppfylla före byggstart (iv) Responstiden hos mätinstrumenten och i sättet att analysera resultaten skall vara tillräckligt snabbt för att möjliggöra förändringar i systemet; OBSERVATIONSMETODEN – JOHAN SPROSS 2015-02-05 10 5 krav att uppfylla före byggstart (v) En plan för korrigerande åtgärder skall upprättas, vilken kan följas om uppföljningen visar ett beteende som ligger utanför acceptabla gränser. Täthetsfunktion Gräns acceptabelt beteende Vad ska vi göra, om det verkliga beteendet ligger här? Parameter OBSERVATIONSMETODEN – JOHAN SPROSS 2015-02-05 11 I byggskedet Täthetsfunktion (3)P Under byggnadsskedet skall uppföljningen utföras som planerat. (4)P Resultaten av uppföljningen skall utvärderas vid lämpliga steg och de planerade korrigerande åtgärderna skall vidtas om gränserna för beteendet överskrids. Gräns acceptabelt beteende Parameter OBSERVATIONSMETODEN – JOHAN SPROSS 2015-02-05 12 Reparera och byt ut utrustning om så behövs (5)P Uppföljande instrumentering skall antingen bytas ut eller utökas om den inte ger tillförlitliga data av avsett slag eller i tillräcklig mängd.” OBSERVATIONSMETODEN – JOHAN SPROSS 2015-02-05 13 Några baskrav vid tillämpning Konstruktionens design måste gå att ändra. Observerad parameter måste vara relevant för konstruktionens säkerhet. Observerad parameter måste kunna relateras till ett acceptabelt beteende. Konstruktionen Optimeringsproblemet – hur vet man om observationsmetoden ger den bästa lösningen? OBSERVATIONSMETODEN – JOHAN SPROSS 2015-02-05 14 Oklarheter i dagsläget • Vilken säkerhetsnivå får den färdiga konstruktionen? (Beta, säkerhetsfaktor, etcetera?) – Eller behövs ingen säkerhetsmarginal hos den färdiga konstruktionen när observationsmetoden använts? • Hur ska man bedöma sannolikheten för acceptabelt beteende i 2-(ii) när man bygger i berg? – Är det nödvändigt? OBSERVATIONSMETODEN – JOHAN SPROSS 2015-02-05 15 Avslutning observationsmetoden • Ett ramverk för att hantera osäkerheter. • Hanterar risker genom att ha åtgärdsplaner för oönskade händelser. • Kan ifrågasättas om det är en egen dimensioneringsmetod – hur garanteras tillräcklig säkerhet? OBSERVATIONSMETODEN – JOHAN SPROSS 2015-02-05 16 Geotechnical Category Professor Håkan Stille BeFo Workshop 2015-02-05 Basis of geotechnical design in EN 1997-1:2004 section 2 • In order to establish minimum requirements for the extent and content of geotechnical investigations, calculations and construction control checks, the complexity of each geotechnical design shall be identified together with the associated risks • A preliminary classification of a structure according to Geotechnical Category should normally be performed prior to the geotechnical investigations. This category should be checked and changed, if necessary, at each stage of the design and construction process. • The various design aspects of a project can require treatment in different Geotechnical Categories. It is not required to treat the whole of the project according to the highest of these categories • Geotechnical category 1 should only include small and relatively simples structures with negligible risk • Geotechnical category 2 should include conventional types of structures and foundations with no exceptional risk. • Geotechnical category 3 should include stuctures or parts of structures, which fall outside the limits of Geotechnical categories 1 and 2. • Geotechnical categories should normally include alternative provisions and rules to those in this standard. • All tunnels, which is not constructed in hard, nonfractured rock and not subjected to special water tightness or other requirements belongs to GK3 Rock mechanics design situation • Connected to both execution (construction work) and behaviour of the permanent structure. • Both situations are associated with complexity and risk of different types and magnitudes. • (after Palmström and Stille 2014) Construction, complexity and risk • Degree of ground uncertainties • Risk for severe accidents and losses • Workers and environment (in tunnel and surroundings) • Temporary or initial structures Determination of Geotechnical category for construction Permanent structures, complexity and risk • Consequence of failure • Probability of failure depends on the quality of rock mass Determination of the geotechnical category for the permanent structure Issues to be discussed • Definitions of the geotechnical categories for execution and permanent structure • Minimum requirements for the extent and content of geotechnical investigations, calculations and construction control checks for each geotechnical category. • With calculations means methods to verify the design and its limit states Några typiska dimensioneringssituationer Diskutera tillämpbarheten av respektive dimensioneringsmetod (Grupp 1 Hävdvunna metoder, Grupp 2 Beräkningar, Grupp 3 Observationsmetoden) på nedan givna dimensioneringssituationer utifrån olika antaganden om Geoteknisk kategori (se tabeller på nästa sida som ett stöd till diskussionen). Stöds ert resonemang kring bergmekanisk dimensionering av Eurokod? Om inte, vad är ni osäkra på och vad tycker ni är otydligt? Typfall 1: Enstaka Blockutfall Typfall 3: Spalling Typfall 2: Ras i blockig bergmassa Typfall 4: Liten bergtäckning Geotechnical Category Table 1: Determination of Geotechnical Category when the ground conditions are unknown. The ground uncertainty is assumed based on the investigations results. Excavation Risk Assessed degree of Ground Uncertainty (before encountered) Types of Construction. Examples Low Low - Foundations Medium - Foundations where blasting is involved - Tunnels and small - moderate rock cuttings High - Undersea tunnels - Caverns with large span - Low rock cover of underground excavations in susceptible areas - High rock cuttings - Excavation may influence on nearby settlements Medium 1 1 1 2 2 2 2 2 High 2 2 3 3 3 Degree of Ground Uncertainty (before the ground has been encountered in the excavation): Low: Clear and simple geology and ground conditions. Ground parameters can be easily found. Experience from similar ground conditions can be documented. Medium: Clear geology and ground conditions. Methods exist to assess ground conditions and for dimensioning. Acceptable experience from other similar ground conditions and constructions can be documented. High: Unclear geology and/or ground conditions with potential for problematic tunnel excavation. There are limited possibilities to assess the ground conditions. Excavation Risk: Low: No risk. Safe, straight forward excavation. Medium: Some probability for loss. High: Possibility for severe accident(s) and loss. Accidents and loss can be injuring incidents and/or disasters, such as collapse, water ingress, damage to nearby constructions, etc. Table 2: Determination of Geotechnical Category when the ground conditions are known (after encountered in the excavation). Level of Usage Requirements Ground Quality Types of Usage. Examples Low - Simple foundations - Water tunnels, mine drifts - Moderate rock cuttings Moderate - Partly complicated foundations - Low traffic road- and railway tunnels - High rock cuttings, storage caverns in rock High - Complicated foundations; Very high rock cuttings - High velocity railway tunnels and heavy traffic road tunnels - Underground railway and hydropower stations - Areas with potential for severe landslide - The construction may cause damage on nearby settlements Good 1 Fair 1 2 1 2 2 2 2 Poor 2 3 Level of Usage Requirements: Low: Limited requirements as long as the project functions during its lifetime. For water tunnels, e.g., downfall of fragments and single blocks are often accepted. Moderate: Minor maintenance/control is accepted within lifetime of construction. High: No damage or deterioration of the construction is accepted during its lifetime. Ground Quality is to be defined according to a preset classification. Ground classes in classification systems may be used. 2 3 3 Sammanfattning gruppdiskussion: Observationsmetoden Gruppen diskuterade två olika fall, där gruppmedlemmar deltagit i projekt där observationsmetoden använts: - Ett projekt där man såg en risk för att mycket stora block skulle kunna finnas i tunneltaket. Sprickorna i fronten observerades och om de såg ogynnsamma ut, skulle åtgärder vidtas. I detta fall hade man inte någon helt färdig åtgärd att sätta in direkt, utan man skulle vara tvungen att ta fram denna lösning, om ett sådant block upptäcktes. - På Citybanan vid centralen användes observationsmetoden för att avgöra om en bergpelare skulle kunna behållas, eller vara tvungen att ersättas av en betongpelare. Även här var det sprickorna som observerades, men lösningen med betongpelare var framtagen. Att inte behöva sätta in denna åtgärd sparade tre månader. - Observationsmetoden sågs av gruppen som en naturlig del av tunnelkonstruktion, och i vid bemärkelse används den nästan hela tiden, dock inte i enlighet med Eurokoden. Att bara observera sig till tillräcklig säkerhet sågs som tveksamt, metoden bör kombineras med andra metoder, exempelvis beräkningar för att visa att en säkerhetsmarginal finns. 2015-02-05 Sammanfattning gruppdiskussion: Partialkoefficientmetoden och Sannolikhetsbaserade metoder En kommentar var att partialkoefficienter i vissa fall använts enbart på bärförmåga. Om man nu även använder partialkoefficienter på lastsidan resulterar detta i en ökad kostnad utan att veta om det är nödvändigt. Anledningen till detta är emellertid att säkerhetsnivån är okänd då partialkoefficienterna inte är kalibrerade mot en säkerhetsnivå. Man har använt någon form av hybridlösning. Utan en teoretisk framräkning av partialkoefficienter kan en optimering inte genomföras. I samband med lastdiskussionen var en kommentar att yttre laster som verkar på bergytan som erhålls från konstruktörer i de flesta fall innehåller en last uppräknad med partialkoefficienter. Samtidigt diskuterades i vilken omfattning beräkningar verkligen behövs för enstaka bergblock. I de flesta fall kan enstaka block observeras i tunneln och förstärkning bestämmas på plats. För enstaka större block kanske beräkningar kan vara nödvändigt. En fråga som uppstod var också hur bultens bärförmåga försämras med tiden och hur detta ska beaktas i en beräkning. En förutsättning för att partialkoefficientmetoden skulle kunna användas är att last och bärförmåga kan separeras. Det tydligaste exemplet på detta där en sådan approximation kan göras är för ett enstaka bergblock. Utöver detta är de gränstillstånd där last och bärförmåga kan separeras begränsade, vilket innebär att möjligheterna att använda partialkoefficienter inom bergmekaniken är begränsad såsom Håkan Stille också beskrev i sin presentation. Det diskuterades också om förstärkning med systematisk bultning och sprutbetong kunde innebära gränstillstånd där partialkoefficientmetoden kunde användas. En kommentar som framkom i samband med denna diskussion var att i de flesta fall görs beräkningar och samma förstärkning uppnås gång på gång. Kanske kan denna typ av förstärkning enbart bestämmas med hävdvunna metoder. Det diskuterades också om förstärkning med systematisk bultning och sprutbetong kunde innebära en för hög förstärkningsnivå och att en bättre optimering av förstärkningen kanske kunde genomföras om en beräkning med brottsannolikhet kunde användas. Gruppen var överens om att sannolikhetsbaserade beräkningar skulle vara ett användbart verktyg, speciellt i kombination med observationsmetoden, där osäkerheter kunde reduceras via observationer i byggskedet. På så vid skulle större osäkerheter kunna accepteras under dimensionering, med vetskap om att osäkerheten kan reduceras kraftigt i samband med observationer i byggfasen. En svårighet med sannolikhetsbaserade metoder är till viss del även att kunskapen kring dessa metoder inom industrin är begränsad och därmed svåra att implementera. För att använda sannolikhetsbaserade metoder i branschen krävs en ökad kunskap om dessa metoder via kurser och beräkningsexempel. Ibland görs känslighetsanalyser vid dimensionering och det poängterades att ”Point Estimate Method” kan vara en enkel form av sannolikhetsbaserad dimensionering som till viss del liknar känslighetsanalysen. Vid våra tunnelbyggen senaste decenniet har vi erhållit en stor mängd karteringsdata. Detta borde kunna sammanställas statistiskt för att erhålla indata till sannolikhetsbaserade beräkningar av vissa gränstillstånd. En slutlig kommentar var också att i viss utsträckning är förbättrade beräkningsmetoder inte enda området där utveckling är nödvändigt. Inom organisation och ersättningsformer krävs också en utveckling i syfte att reducera kostnader vid byggande i berg.