En jämförelse mellan indirekta och direkta metoder för uppskattning av bergmekaniska egenskaper för bergmassan i Barkarby-området

Sammanfattning: Detta mastersarbete görs i samband med projekteringen av utbyggnaden av tunnelbanan mellan Akalla och Barkarby i Stockholm tillsammans med Tyréns AB. Utbyggnaden innefattar två nya stationer; Barkarby station och Barkarbystaden och däremellan ca 1500 m tunnel i berg. I projekteringen ingår geologiska och bergmekaniska undersökningar i området som ger underlag för modelleringar och beräkningar på tunnlarnas stabilitet. Det finns idag många olika metoder för att uppskatta parametrar som beskriver bergmassans mekaniska egenskaper. Bergmassans deformationsmodul och sprickors skjuvhållfasthet är viktiga parametrar som ingår i dagens modelleringsprogram för struktur och spänningsanalyser. Denna studie syftar till att jämföra olika empiriska och analytiska metoder för att uppskatta deformationsmodulen och skjuvhållfastheten för sprickor i den bergmassa som omger Barkarby station. Resultaten från de olika metoderna används som ingångsdata för struktur och spänningsanalyser. Deformationsmodulen för Barkarby station uppskattades utifrån utvalda indirekta och direkta metoder. Den indirekta metoden utgår ifrån empiriskt utvecklade ekvationer med variabler som baseras på resultat från karaktärisering av den aktuella bergmassan. Den direkta metoden utgår istället ifrån teoretiska beräkningar som baseras på resultat från enaxiella kompressionstester på bergprover som representerar det intakta berget och sprickorna i bergmassan. Vid beräkning av deformationsmodulen med de indirekta metoderna erhölls konstanta värden på deformationsmodulen. Vid beräkning av deformationsmodulen med den direkta metoden erhölls istället ett olinjärt samband mellan deformationsmodulen och spänningen. Resultaten från de indirekta och direkta metoderna användes sedan som ingångsdata för spänningsanalyser av Barkarby station. Spänningsanalysen påvisade märkbara skillnader mellan de olika modellerna. Enligt de linjärelastiska modellerna skapades dragspänningar av betydande storlek och utbredning i berget närmast tunnelväggarna. Avlastningen av berget här resulterar i en ökad risk för blockutfall. Enligt spänningsanalysen som är baserad på den bilinjärelastiska modellen skapas i jämförelse med den linjärelastiska modellen, lägre dragspänningar över ett betydligt mindre påverkat område vilket medför till en minskad risk för blockutfall. Vid uppskattning av sprickors skjuvhållfasthet användes olika metoder för bestämning av parametrarna: friktionsvinkeln som ingår i Mohr Coulombs brottkriterium, JRC, JCS och residualfriktionsvinkeln som ingår i Barton Bandis brottkriterium. Enligt strukturanalysen var skillnaderna mellan Mohr Coulombs och Barton Bandis modell obetydliga vid modelleringen utan primärspänningar. Skillnaderna mellan modellerna ökade vid modellering med primärspänningar. Detta kan förklaras med att den definierade brottlinjen för de två olika modellerna skiljer sig åt. Enligt Mohr Coulombs kriterium är brottlinjen linjär medan den enligt Barton Bandis kriterium är krökt.