Bergmekanikk – styrke, sprekker og stabilitet i berg

Bergartens styrke er viktig, men sprekker, svakhetssoner, vann og bergspenninger avgjør ofte om berget er stabilt.

Faget brukes blant annet ved tunneler, bergskjæringer, byggegroper, fundamentering på berg og andre tiltak som endrer bergmassens naturlige stabilitets- eller spenningsforhold.

Hva er bergmekanikk?

Bergmekanikk er læren om styrke, deformasjon og brudd i berg.

Det skilles mellom intakt stein og bergmasse. Intakt stein er selve bergmaterialet, mens bergmassen også omfatter sprekkene, svakhetssonene og de geologiske strukturene som deler berget opp.

En bergmekanisk vurdering kan derfor omfatte:

• bergartens styrke og deformasjonsegenskaper
• sprekkers retning, avstand og ruhet
• lagdeling og foliasjon
• svakhetssoner og oppknust berg
• vanntrykk i sprekker
• naturlige bergspenninger
• utgravingens størrelse og geometri
• belastninger fra bygg og konstruksjoner

Det er samspillet mellom disse forholdene som bestemmer hvordan bergmassen oppfører seg.

Bergart og bergmasse er ikke det samme

En bergart beskriver materialet berget består av, for eksempel granitt, skifer eller gneis.

En bergmasse omfatter både bergarten og alle strukturene som deler den opp. Det kan være sprekker, lagdeling, foliasjon, knuste soner og forvitrede partier.

Skillet er viktig. En sterk bergart kan danne en ustabil bergmasse dersom berget er tett oppsprukket eller sprekkene har en ugunstig retning.

Forvitring av berg kan i tillegg redusere styrken langs sprekkene og omdanne deler av bergmassen til svakere materiale.

Det er derfor ikke tilstrekkelig å fastslå at et fundament står på fjell. Bergmassens faktiske kvalitet og oppbygning må vurderes i sammenheng med tiltaket.

Hva bestemmer stabiliteten i berg?

Stabiliteten i en bergmasse påvirkes av terreng, sprekkeforhold, vann, belastning og hvordan berget graves eller sprenges ut.

Sprekker som heller ut mot en skjæring, kan danne blokker eller kiler som kan gli ut. Andre steder kan stabiliteten styres av en svakhetssone, høye bergspenninger eller løse blokker nær overflaten.

Aktuelle bruddmekanismer kan være:

• utfall av enkeltblokker
• kilebrudd mellom flere sprekkesett
• plan utglidning langs en sprekk
• brudd gjennom en svakhetssone
• avskalling som følge av høye bergspenninger
• steinsprang fra naturlige eller utsprengte skrenter

Høyde, helning og utformingen av en bergskjæring har derfor stor betydning. En liten endring i geometrien kan endre hvilke blokker som blir frie, og hvilken bruddmekanisme som blir styrende.

Vann kan svekke stabiliteten

Vann i sprekker og svakhetssoner kan påvirke både stabilitet og gjennomføring av et prosjekt.

Vanntrykk kan redusere kontakten mellom sprekkeflatene og gjøre det lettere for blokker å bevege seg. Vann kan også:

• redusere friksjonen langs glatte sprekkeflater
• vaske ut leire eller annet svakt materiale
• bidra til frostsprengning
• gi erosjon i oppknuste soner
• føre til lekkasjer inn i tunneler og byggegroper

Drenering og vannavlastning kan derfor være en viktig del av en stabiliserende løsning. Det må samtidig vurderes om endrede grunnvannsforhold kan påvirke omkringliggende løsmasser, bygninger eller konstruksjoner.

Bergspenninger og utgraving

Bergmassen er naturlig utsatt for spenninger fra vekten av overliggende berg og geologiske prosesser.

Når det graves eller sprenges ut en tunnel, skjæring eller byggegrop, endres spenningsfordelingen. Spenningene ledes rundt den nye åpningen og kan konsentreres i enkelte deler av bergmassen.

Høye bergspenninger kan blant annet føre til:

• avskalling fra tunnelvegger og heng
• ny oppsprekking rundt bergrom
• deformasjoner i svakere bergmasser
• plutselige brudd i sterkt berg

Betydningen av bergspenningene avhenger blant annet av dybde, bergart, geologiske strukturer og utgravingens form.

Ved dype tunneler og store bergrom kan bergspenningene være en sentral del av prosjekteringen. Ved mindre og grunnere tiltak er det oftere sprekkeforhold, forvitring og lokal blokkstabilitet som styrer.

Bergmekanikk, ingeniørgeologi og geoteknikk

Bergmekanikk er nært knyttet til ingeniørgeologi, men fagområdene har forskjellige hovedoppgaver.

Ingeniørgeologien kartlegger og tolker blant annet:

• bergarter og geologiske strukturer
• sprekker og svakhetssoner
• forvitring og løsmassedekke
• grunnvann og lekkasjeforhold
• geologiske forhold som påvirker tiltaket

Bergmekanikken bruker dette grunnlaget til å vurdere styrke, deformasjon, bergspenninger, bruddmekanismer og behov for stabiliserende tiltak.

Geoteknikk omfatter hovedsakelig jord, løsmasser, fundamentering og stabilitet i grunnen. Bergmekanikk og geoteknikk møtes når et prosjekt omfatter både løsmasser og berg.

Dette er vanlig ved:

• byggegroper med løsmasser over berg
• fundamentering delvis på berg og delvis på løsmasser
• skjæringer med løsmassedekke
• peler og stag som forankres i berg
• støttekonstruksjoner nær bergskrenter
• tunneler som kan påvirke grunnvann og setninger

Bergmekanikk erstatter derfor ikke ingeniørgeologiske eller geotekniske vurderinger, men inngår som en del av det samlede faggrunnlaget.

Når er en bergmekanisk vurdering nødvendig?

En bergmekanisk vurdering er særlig relevant når et tiltak kan endre stabiliteten eller spenningsforholdene i bergmassen.

Det kan være aktuelt ved:

• tunneler og bergrom
• bergskjæringer
• byggegroper sprengt ned i berg
• fundamentering på berg
• bratte bergskrenter
• sprengning nær bygg og infrastruktur
• stag og forankringer i berg
• oppsprukket eller forvitret berg
• synlige løse blokker
• vannførende sprekker og svakhetssoner

Også mindre tiltak kan kreve vurdering dersom det skal graves eller sprenges nær boliger, veger, støttemurer eller naboeiendommer.

Tidlig vurdering gjør det mulig å tilpasse plassering, skjæringshelning, sprengningsopplegg og sikring før arbeidene starter. Det reduserer risikoen for uforutsette forhold og kostbare endringer under utførelsen.

Hvordan undersøkes bergforholdene?

Undersøkelsene må tilpasses tiltakets størrelse, konsekvenser og usikkerheten i grunnlaget.

En geologisk undersøkelse kan omfatte kartstudier, befaring, kartlegging av bergarter, sprekkemålinger og registrering av svakhetssoner.

Ved behov kan undersøkelsene suppleres med:

• bergkontrollboring
• kjerneboring
• geofysiske undersøkelser
• laboratorieundersøkelser av bergprøver
• registrering av grunnvann og lekkasjer
• måling av bergspenninger
• stabilitetsberegninger

Når det først og fremst er dybden til berg som skal avklares, kan fjellkontroll og kontroll av bergnivå gi grunnlag for fundamentering og videre prosjektering.

Undersøkelsene må rettes mot forholdene som faktisk kan styre stabiliteten. Omfattende undersøkelser gir ikke nødvendigvis et bedre beslutningsgrunnlag dersom de ikke er tilpasset problemstillingen.

Statens vegvesens håndbok N-V521 om geologi og bergsikring i tunnel beskriver blant annet geologisk kartlegging, boring, geofysiske metoder, laboratorieundersøkelser, hydrogeologi, bergspenninger og klassifisering av bergmasser som sentrale deler av undersøkelsesgrunnlaget.

Numerisk modellering i bergmekanikk

Numerisk modellering kan brukes til å analysere hvordan en bergmasse reagerer på utgraving, belastning eller sikringstiltak.

Modellene kan blant annet brukes til å undersøke:

• spenningsendringer rundt tunneler og bergrom
• deformasjoner i bergmassen
• brudd langs sprekker og svakhetssoner
• virkningen av bolter, stag eller sprøytebetong
• betydningen av utgravingsrekkefølgen
• påvirkning fra vanntrykk

En modell er alltid en forenkling av virkeligheten. Resultatet avhenger av kvaliteten på inngangsdataene og av hvor godt den geologiske modellen representerer bergmassen.

En detaljert beregningsmodell kan ikke kompensere for mangelfull kartlegging eller feil antatte materialegenskaper. Numeriske analyser må derfor vurderes sammen med undersøkelser, observasjoner og faglig skjønn.

Bergsikring og stabiliserende tiltak

Behovet for sikring avhenger av bergmassens kvalitet, aktuelle bruddmekanismer og konsekvensene dersom et brudd oppstår.

Aktuelle tiltak kan være:

• rensk av løse blokker
• bergbolter
• fjellbånd og nett
• stag og forankringer
• sprøytebetong
• drenering og vannavlastning
• redusert skjæringshelning
• tilpasset utgravingsrekkefølge

Sikringen må utformes for den aktuelle bruddmekanismen. En løsning som hindrer mindre blokkutfall, er ikke nødvendigvis tilstrekkelig ved store kiler, omfattende svakhetssoner eller høye bergspenninger.

Denne siden omtaler bergsikring overordnet. Detaljert valg og dimensjonering av sikring må baseres på bergmassens oppbygning, tiltakets geometri og konsekvensene av et mulig brudd.

Dokumentasjon av bergmekaniske forhold

Dokumentasjonen må tilpasses tiltaket og formålet med vurderingen.

En bergmekanisk eller ingeniørgeologisk vurdering kan beskrive:

• grunnlaget for vurderingen
• bergarter og geologiske strukturer
• sprekkeforhold og svakhetssoner
• vann- og lekkasjeforhold
• bergspenninger
• aktuelle bruddmekanismer
• stabilitet og forventede deformasjoner
• behov for sikring
• usikkerhet og videre oppfølging

Når problemstillingen hovedsakelig gjelder berggrunn, bergskjæringer eller andre geologiske forhold, kan dokumentasjonen inngå i en geologisk rapport eller vurdering.

Dersom tiltaket også omfatter løsmasser, fundamentering eller stabilitet i jord, kan det i tillegg være behov for en geoteknisk rapport og vurdering.

Ofte stilte spørsmål om bergmekanikk

Er berg alltid et sikkert fundament?

Nei. Berg kan ha høy bæreevne, men sprekker, svakhetssoner, forvitring og vann kan påvirke stabiliteten. Både bergnivå og bergkvalitet må vurderes i sammenheng med tiltaket.

Hva er forskjellen mellom bergmekanikk og ingeniørgeologi?

Ingeniørgeologi kartlegger og tolker de geologiske forholdene. Bergmekanikk vurderer hvordan bergmassen reagerer på belastning, utgraving og endrede spenningsforhold.

Er bergmekanikk en del av geoteknikk?

Fagområdene overlapper, men har forskjellige hovedområder. Geoteknikk omfatter primært jord og løsmasser, mens bergmekanikk omfatter styrke, deformasjon og stabilitet i berg.

Hva er en bergmasse?

En bergmasse består av selve bergarten og strukturene som deler den opp, blant annet sprekker, lagdeling og svakhetssoner. Bergmassens egenskaper kan derfor være svært forskjellige fra styrken til en enkelt bergprøve.

Kan bergstabilitet vurderes uten undersøkelser?

En innledende vurdering kan noen ganger baseres på kart, bilder og synlig berg. Detaljert prosjektering krever ofte befaring, sprekkekartlegging, boring eller andre undersøkelser.

Når kan bergsikring være nødvendig?

Bergsikring kan være nødvendig når løse blokker, ugunstige sprekker, svakhetssoner eller utgraving gir fare for utfall eller brudd. Sikringstiltakene må tilpasses den aktuelle bruddmekanismen.

Trenger du vurdering av bergforhold?

Geotekniker AS bistår med vurdering av grunn- og bergforhold ved byggesaker, fundamentering, bergskjæringer og terrenginngrep.

Send inn situasjonsplan, tegninger, bilder og tilgjengelig informasjon om grunnforholdene. Da kan vi avklare hvilket fagområde, hvilke undersøkelser og hvilken dokumentasjon tiltaket krever.