1

FjellboltingPrinsipper og Applikasjoner

Charlie C. Li

NTNU

NBGs boltkurs 25.-26. september 2017, Trondheim

2

Innehold

• Kap 1: Innledning

• Kap 2: Typiske bolter

• Kap 3: Utførelse av bolter

• Kap 4: Mekanikk av bolting

• Kap 5: Boltingsplanlegging

• Kap 6: Boltinstallasjon

• Kap 7: Kvalitetskontroll

• Kap 8: Numerisk modellering

• Kap 9: Eksempler av fjellbolting

3

Kap 2: Typiske bolter

• Bolttyper

• Hvordan bolten fungerer

• Spesifikasjoner: typiske diameter, flytende og

bruddgrenser, tøyningsgrenser

4

Mekanisk bolt

• Ekspansjonsbolt

• ” Slot-and-wedge” bolt

Bar Plate / Nut Wedge Shell

Expansion shell

5

Limt bolt

Rebar Plate / Nut Grout

Rebar Plate / Nut Resin

Split-end expanded

after installation Impact load to

wedge the end

6

Self-drilling bolt

Drill bit

Coupling

Nut & Plate

Anchor rod

7

Kabelbolt

Twin-strand

cablebolt Cementitious grout

Fixed anchor

length, > 5 m

Barrel and wedge

anchors

Fixed anchor

length, > 5 m

Barrel and wedge

anchors

8

Friksjonsbolter

• Split set

• Ekspansjonsbolt

9

Hybridbolt

Polyethylene sleeve

Expansion shell

Steel tube

Hemispherical dome

Pre-tension Post grouting Installed

(a) (b)

10

Energibolter

• Cone bolt

• D-bolt

• Garford bolt

Cone

Smooth bar

11

Kap 3: Utførelse av bolter

• Prøvingsmetoder: statisk og dynamisk

• Statisk utførelse

• Dynamisk utførelse

• Feltobservasjoner

12

Prøvingsmetoder

• Statisk prøving

• Dynamisk prøving

(a) (b) (c)

Upper tube

Lower tube

Bolt

Impact plate

Mass

Mass

Upper tube

Lower tube

Bolt

Buffers

Beam

13

Statisk utførelse

Expansion shell 20 mm

Cement grouted

rebar 20 mm

Pu

ll lo

ad

(kN

)

50

100

150

200

250

300

350

400

Infltable bolt 38 mm

Split set SS46

Fibreglass bolt 22 mm

Twin strand cable

2x12.7 mm

0

0

Displacement (mm)

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Failure in plate

Failure in bolt shank

Slip

Expansion shell 20 mm

Cement grouted

rebar 20 mm

Split set SS46

Fibreglass bolt 22 mm

Twin strand cable

2x12.7 mm

Shear displacement (mm)

20 40 60 80 100 120 0 140 160 180 200

50

0

100

150

200

Sh

ea

r lo

ad

(kN

)

250

300

Failure in bolt shank

Super Swellex 38 mm

14

Feltobservasjoner

1st pass

(backfilled) 2nd

pass

Fractures

20 mm

40 mm

Bolt 1 Bolt

1

Bolt

2

(a) (b)

65 mm

10 mm

Bolt 2

(c)

15

Kap 4: Mekanikk av bolting

• Boltebelastningsmodeller

• Interaksjon mellom bolter og bergmassen

• Interaksjon mellom bolter og andre sikringselementer

• Bergmasseresponsekurven og bergsikringslinjen

16

Model for mekanisk bolt

(a)

(b)

(c)

Shear stress

Stre

ss

Axial stress σ 0

Ultimate axial stress

x

0

17

Modell for limt bolt

Shear stress

Stre

ss

Axial stress

x

18

Modell for friksjonsbolter

Shear stress

Load

or

stre

ss

Axial load

x

19

Modeller for enrgibolter

Ultimate axial stress

Shear stress on bolt = 0

Stre

ss Axial stress

Load

(a)

(b)

(c)

Ultimate axial stress

Shear stress on bolt = 0

Stre

ss Axial stress

Load

(a)

(b)

(c)

Stre

ss /

str

ain

Shear stress on bolt = 0

Axial stress or strain in bolt

Ultimate axial stress or strain

Fracture 1 Fracture 2

20

Interaksjon mellom bolter og bergmassen

18 kg

Zone of compression

Reinforcement angle

(a) (b)

21

Interaksjon mellom bolter og bergmassen

Pick-up length

Anchor length

Neutral point

0 50 100 150 200

Distance to borehole collar (cm)

0

50

100

150

200

Axi

al s

tres

s (M

Pa)

Shear stress

Distance to borehole collar (cm)

Str

ess (

MP

a) Axial stress

Shear stress

0.3 m

0.3 m

22

Bergmasseresponsekurven og

bergsikringslinjen

Radial deformation u (or Time)

Sup

po

rt p

ress

ure

, pi

pi = po

Too early

Wall

SCC

Too late

Right time

pi

po

GRC

Roof

A

B

C

23

Kap 5: Boltingsplanlegging

• Bergbruddtyper

• Bergspenningsforhold

• Planleggingsprinsipper

• Typer av bolting

24

Bergbruddtyper

Blokkfall

Skjærbrudd

Spraking

Bergslag (rockburst)

25

Bergspenningsforhold

(a) (b) (c)

Ejection Ejection

Lav spenning Høy spenning

26

Planleggingsprinsipper

Layer 1 - Bolting: sporadic or systematic

Layer 2 - Surface retaining: mesh, shotcrete, etc

Layer 3 - Cable bolting

Layer 4 - External support: steel sets, concrete arches,

concrete lining

27

Typer av bolting

• Kilblokkefesting

• Buebygging

• Suspensjonbolting

• Skjermbolting

• Dynamiskbolting

• ….

28

Andre

• Bestemmelse av boltelengden

• Sikkerhetsfaktorer: last, forskyvning, utgitt energi

• Kompatibilitet mellom de ulike sikringselementene i et

sikringssystem

29

Kap 6: Boltinstallasjon

• Installasjonsprosedyre til hver bolttype

(a) (b) (c) (d)

Fast

Sl

ow

30

Kap 7: Kvalitetskontroll

• Kvalitetsprøving: Sjekk produktkvalitet– Boltestål

– Mutter

– Plater

– Støpingsmedel

• Design-proof prøving: sjekk om utførelsen av ferdig

installerte bolter og tilbehør oppfyller kraven.– Strekkprøving (pullout test)

– Viskositet av sementmørtel

– Vedheftningsprøving

31

Kap 8: Numerisk modellering

Rock joint Shear load

32

Kap 9: Eksempler av bolting

• 14 boltingseksempler i ulike bergforhold. 12 fra

gruver, 1 vannkraftmaskinhall og Gjørvik hallen

• De fleste er vellykkete kasser. Noen er mislykket.

• For hver kasse: bergmassekvalitet,

bergspenningsforhold, bergsikring, hva som skjedde,

hvordan boltene reagerte, og konsekvensen

33

Takk

for oppmerksomheten