Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Département de génie civil

Shear strength of rock joints based on quantified surface description

Grasselli, Giovanni ; Descoeudres, François (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2001 ; no 2404.

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    Summary
    One of the primary objectives of this work is to better understand the frictional behavior of joints under shear loads, including the creation of damage zones. Discontinuities have an important influence on the deformational behavior of rock systems. The choice of a general criterion to determine the shear strength of rough rock joints is a general problem that has been investigated for many years. Numerous shear models have been proposed in the last decades to relate shear-strength to measurable joint parameters, but their limitations have to be recognized. The problem is how to measure and then to express the roughness with a number (e.g. JRC) or a mathematical expression in order to introduce the morphology of the joint into a shear strength criterion. In the frame of this work it has been pointed out that the geometry of roughness influences the size and distribution of contact areas during shearing. In order to locate and estimate the contact area during the shearing, it was argued that only the zones of the surface faced to the shear direction, and steeper than a threshold inclination are involved in the shearing. An empirical relation between the potential contact area and the minimal apparent dip inclination of the surface is proposed. The close agreement between this empirical description of the potential contact area, and experimental points permits to predict the real contact area involved in the phenomena. A new constitutive law, relating stress and displacements, is proposed to model the shear resistance of joints under constant normal load conditions. It is based on the empirical surface description, and on the results from more than fifty constant-normal-load direct-shear tests performed on both replicas of tensile joints, and induced tensile fractures for seven rock types. It is shown that this constitutive model is able to describe experimental shear tests realized in laboratory. Moreover, the parameters required in the model can be easily obtained through standard laboratory tests. The proposed model was also used to estimate the JRC value. The expression obtained to evaluate the joint roughness coefficient is capable of predicting the JRC. It was successfully compared with JRC values obtained by back analysis of shear tests. In the current research no attention was paid to investigate the influence of the scale on the shearing. The results have been validated only in the range of the samples tested in laboratory. Further studies are needed to explore the applicability of the proposed model in field conditions.
    Résumé
    Un des premiers objectifs de ce travail est de mieux comprendre le comportement sous l'effet du cisaillement des joints rugueux, y compris la création des zones endommagées. Le choix d'un critère général pour déterminer la résistance au cisaillement des joints rugueux est un problème qui est étudié depuis plusieurs années. De nombreux modèles de comportement au cisaillement ont été proposés afin d'associer l'effort de cisaillement aux paramètres morphologiques de la surface, mais leur validité est discutable. Le problème est de mesurer, puis d'exprimer la rugosité par une valeur (par exemple le JRC) ou une expression mathématique afin de considérer la morphologie du joint dans un critère de résistance au cisaillement. En effet, la géométrie de joint rugueux influence la taille et la distribution des zones de contact pendant le cisaillement. Dans le cadre de ce travail, afin de localiser et d'estimer la zone de contact pendant le cisaillement, on a considéré que seules les zones de la surface qui font face à la direction de cisaillement, et plus raides qu'une inclinaison de seuil, sont impliquées dans le cisaillement. On propose une relation empirique entre la zone de contact et l'angle apparent minimal de pendage de la surface. La relation entre cette description empirique de la zone de contact potentielle et les données expérimentales permet d'évaluer la zone de contact impliquée dans le phénomène. On propose une nouvelle loi constitutive, effort-déplacement, pour modéliser des joints cisaillés dans des conditions de charge normales constantes. Elle est basée sur la description empirique de la surface, et sur les résultats de plus de cinquante essais de cisaillement réalisés sur des répliques ainsi que sur des joints en roche. On a vérifié que ce modèle constitutif peut décrire les essais expérimentaux de cisaillement réalisés en laboratoire. Par ailleurs, les paramètres utilisés dans le modèle peuvent être facilement obtenus par des essais standards en laboratoire. Le modèle proposé a été également employé pour estimer la valeur du JRC. L'expression obtenue pour évaluer le coefficient de rugosité du joint permet d'estimer le JRC. Elle a été comparée avec succès aux valeurs du JRC obtenues par analyse inverse des essais de cisaillement. Dans cette recherche aucune attention n'a été prêtée à l'influence de l'échelle sur le cisaillement. Les résultats ont été validés seulement pour la taille des échantillons testés en le laboratoire. D'autres études sont nécessaires pour explorer l'applicabilité in-situ du modèle proposé.
    Riassunto
    Riassunto Uno degli obiettivi principali di questo lavoro è la ricerca di una migliore comprensione del fenomeno della resistenza al taglio dei giunti in roccia. Le discontinuità hanno un'importante influenza sul comportamento degli ammassi rocciosi. La scelta di un criterio generale per determinare la resistenza al taglio dei giunti scabri, è un problema generale, studiato da lungo tempo. Negli ultimi decenni sono stati proposti numerosi modelli di comportamento che cercano di legare lo sforzo di taglio a parametri morfologici della superficie della frattura, tuttavia la loro validità resta da provare. Il vero problema risulta essere la misura ed, in seguito, l'espressione della scabrezza per mezzo di un valore (ad esempio il JCR) o attraverso un'espressione matematica. L'obiettivo é di introdurre, in un criterio di resistenza meccanica, un fattore che consideri la morfologia del giunto. La geometria della superficie influenza, infatti, la dimensione e la distribuzione delle zone a contatto durante il taglio. Nel corso di questo lavoro, considerando le sole zone del giunto inclinate nella direzione di taglio, è stata proposta, allo scopo di localizzare e stimare le aree di contatto, una relazione empirica che lega la percentuale della superficie in contatto durante il taglio, con l'angolo minimo d'immersione apparente. La stretta concordanza tra l'espressione empirica e i risultati sperimentali, permette di stimare la zona di contatto implicata nel fenomeno. In seguito è stata proposta una nuova legge costitutiva, sforzi-deformazioni, per modellizzare le fratture soggette a sforzo di taglio in condizioni di carico normale costante. La sua formulazione è basata sulla descrizione empirica della superficie e sull'analisi dei risultati di più di cinquanta prove di taglio diretto eseguite sia su repliche che su giunti in roccia. Questo modello costitutivo risulta capace, utilizzando parametri facilmente misurabili tramite prove standard, di descrivere i risultati dei test di laboratorio realizzati. Il criterio di resistenza di picco proposto è poi utilizzato per stimare obbiettivamente il valore di JRC. I valori ottenuti con tale procedura sono stati confrontati con successo con i corrispondenti JRC ricavati tramite "back analysis" delle prove di taglio. I risultati presentati sono stati validati solo nell'intervallo di scala testato in laboratorio. Successivi studi sono necessari per esplorare l'applicabilità in-situ del modello proposto.