A comprehensive peak shear strength criterion for rock joints

Abstract

The basic principles of a new simple peak shear strength criterion for rock joints based on well-documented theory of friction and deformation of rough surfaces are presented. According to this criterion, the peak shear strength of a rock joint at any normal stress is interpreted as comprising two components, one purely frictional and one geometrical. The first is due to the shear strength of rock junctions sheared under high normal stress and is independent of roughness and scale. The second is due to surface roughness which causes dilation. Under a given normal stress, the joint is first deformed and then sheared along an inclined plane defined by the deformed asperities. The magnitude of the frictional component is determined from the shear strength of the rock wall material, whereas the magnitude of the geometrical component, which is normal stress dependent, is predicted from consideration of surface roughness and contact theory. The new criterion is supported by the results of a series of direct shear tests on modelled rock joints. Changes in peak friction angle due to normal stress, scale effects or roughness anisotropy are interpreted in terms of change in the geometrical component only. Cet article présente les principes de base d’un nouveau critère, le maximum de résistance au cisaillement des joints de roche, basés sur les théories connues de frottement et de déformation des surfaces irréguliers. Selon ce critère, le maximum de résistance au cisaillement d’un contact rocheux sous contrainte normale comprend deux composantes; une purement de frottement, et une autre géométrique. La première est due à la résistance des joints rocheux soumis au cisaillement sous haute contrainte normale, et elle est indépendante de la rugosité et de l’échelle; la deuxième est due à la rugosité de la surface, qui entraîne la dilatation. Sous une contrainte normale donnée, le joint est d’abord déformé, puis cisaillée le long d’un plan incliné défini par les aspérités ainsi déformées. La grandeur de la composante de frottement est déterminée à partir de la résistance au cisaillement du matériau de roche, alors que la grandeur de la composante géométrique, qui dépend de la contrainte normale, est prédite en considériant la rugosité de la surface et les contacts. Le nouveau critère est validé par les résultats d’une série de tests de cisaillements directs sur des joints de roches. Le changement de l’angle du maximum de frottement dus à la contrainte normale, les effets d’échelle Die Grundprinzipien für eine neue einfache Regel für sie Spitzenuerscherungskraft von Gesteinsklüften, basiennd auf gut dokumuntierter Theorie der Reibung und Deformation von unebenen ober-flachen werden vorgestellt. Die Regel besagt, daß die Spitzenscherkraft einer Gesteinskluft unter Normal-druck als aus zwei komponenten bestehend auf gefasst werden kann: einer Reibungs komponente und einer geometrinschen komponente. Die Reibungskomponente ist bedingt durch die Scherkraft der kontakt punkte unter hohem Normal-druck und ist unabhüngig von der ober-flächenbeschaftenheit und dem maßstab. Die geometrische Komponente ist bedingt durch die oberflächenbeschaffenheit (Ranheit?), welche eine öffnung der Gleitflächen veruvsachen. Unter einem gegebenen Normal-druck wird die kluft zuerst deformiert und dann geschneit entlang einer Neigungsebene, die durch die deformierten Asperitätan definiert ist. Die Größe der Reibungs-komponente ist bestimmt durch die Scherkraft des Gesteinmaterials, wohingegen die Scherkraft des Gesteinmaterials, wohingegen die Größe der geometrischen komponente, welch abhüngig vom Normaldruck ist, vorherbestimant werden kann ans Überlegungen über die oberflächenbeschaffenheit und der Kontakttheorie. Die neue Regel beruht auf den Ergebnissen einer Rihe von Scherversuchen an Modelgestuns verklüflugen. Veränderungen des Spitzenreibungswinkels auf Grund des Normaldruckes, Maßstabseinflüsse oder ober-flächenanistropic werden nur als Veränderungen der geometrischen komponente angeschen.