Ermittlung eines einfachen Kennwertes zur Bestimmung der Restscherfestigkeit von Gesteinstrennflächen

Zusammenfassung

Ermittlung eines einfachen Kennwertes zur Bestimmung der Restscherfestigkeit von Gesteinsflächen. Die Ermittlung der Scherfestigkeit von Gesteinsklüften im direkten Scherversuch im Labor oder in-situ ist im allgemeinen zeitraubend, sehr teuer und vor allem fragwürdig in seiner praktischen Anwendung. Die Restscherfestigkeit wird erst nach großer Relativbewegung erreicht; bei den meisten Scherversuchen ist letztere jedoch auf wenige Zentimeter begrenzt.

Bereits nach geringer Verschiebung besteht kein Flächenkontakt mehr zwischen den beiden Probenhälften, sondern nur noch an wenigen Punkten der Trennfläche werden Normal- und Reibungskräfte übertragen. Eine Prüfanordnung, die eine beliebig große Verschiebung zwischen zwei in Punktkontakt stehenden Gesteinsproben und die volle Entwicklung des Zerreibungsproduktes ermöglicht, sollte deswegen zu sinnvollen Meßergebnissen führen.

Ein entsprechendes Versuchsgerät, in das normale Bohrkerne eingesetzt werden, wurde entwickelt und wird hier beschrieben. Sechs verschiedene Gesteinsarten wurden damit geprüft und gleichzeitig wurden die in diesem Gerät erhaltenen Punktreibungswerte mit im direkten Scherapparat ermittelten Punktreibungs- und Flächenreibungswerten verglichen. Es stellte sich dabei ein klarer Zusammenhang zwischen den Punktreibungswerten vom Rotationsgerät und den Restscherfestigkeiten, d. h. den Flächenreibungswerten, heraus. Ebenfalls scheint ein direkter Zusammenhang zwischen Härte und Flächenreibungswerten zu bestehen. Beide Werte, d. h. Punktreibungswinkel und Härte, stellen also nützliche Kennwerte zur Ermittlung der Restscherfestigkeit von Gesteinstrennflächen dar. Der durch Linearverschiebung ermittelte Punktreibungswinkel ist für alle untersuchten Gesteinsarten nahezu der gleiche und beträgt etwa 32°. Der gegenseitige Einfluß von Zerreibungsprodukt und Oberflächenbeschaffenheit der Trennfläche auf die Restscherfestigkeit wird besprochen.

Summary

Investigation of a Simple Index Value for the Residual Shear Strength of Discontinuities in Rock. The measurement of the shear strength of discontinuities in rock in the direct laboratory or in-situ shear test is generally time consuming, very expensive and questionable as regards practical application. The residual shear strength is reached only after large relative displacement; in most shear tests, however, the displacement is limited to a few inches.

Already after relatively small displacement there exists hardly anymore area contact between the two sample halves, but the normal and shear forces are transmitted at a few point contacts. A testing arrangement which allows unlimited displacement between two samples in point contact and the full development of the fines, i. e. the crushed material, should therefore yield meaningful results.

An appropriate test apparatus was developed in which regular drill cores can be used. Six different rock types were tested and the results were compared with the coefficient of friction as obtained for a point contact in a direct shear machine and the residual shear strength as obtained in the conventional way. The results show a clear relationship between the friction of point-contacts in the rotary device and the residual shear strength, i. e. the friction values obtained in the conventional way. There is also a direct relationship between hardness and residual shear strength. Both values, i. e. point contact friction and hardness, represent useful indices for the determination of the residual shear strength of joint surfaces in rock. The friction angle obtained from linear displacement of rocks in point contact is for all investigated rock types approximately the same, about 32°. The respective influence of the fines which are generated in the shear process and the surface condition of the discontinuity on the residual shear strength is discussed.

Résumé

Représentation par un indice unique de la résistance au cisaillement résiduelle des discontinuités des roches. La mesure de la résistance au cisaillement des discontinuités des roches par l’essai de cisaillement simple au laboratoire ou sur le terrain est généralement longue, coûteuse et discutable dans ses applications pratiques. On n’atteint la résistance au cisaillement résiduelle qu’après un grand déplacement relatif; pourtant, dans la plupart des essais de cisaillement ce déplacement ne dépasse pas quelques centimètres.

Dès qu’un petit déplacement a eu lieu, il n’y a presque plus de surface de contact entre les deux moitiés de l’échantillon, mais au contraire les forces normales et tangentielles ne sont transmises que par un petit nombre de contacts ponctuels. Un dispositif d’essai permettant un déplacement indéfini entre deux échantillons en contact ponctuel, avec libre développement des fines, c’est à dire du matériau broyé, apporterait donc des résultats significatifs.

Un dispositif d’essai approprié a été mis au point employant des carottes ordinaires. Six types de roches ont été essayés et les résultats en sont comparés avec les coefficients de frottement obtenus pour des contacts ponctuels dans une machine de cisaillement simple et avec la résistance au cisaillement résiduelle obtenue de la façon habituelle. Les résultats montrent une relation entre le frottement des contacts ponctuels sur le dispositif tournant et la résistance au cisaillement résiduelle, c’est à dire les valeurs de frottement obtenues de la façon habituelle. Il y a aussi une relation directe entre la dureté et la résistance au cisaillement résiduelle. Les deux valeurs, frottement d’un contact ponctuel et dureté, constituent des indices utiles pour déterminer la résistance au cisaillement résiduelle sur les surfaces de séparation des roches. L’angle de frottement obtenu à partir du déplacement linéaire suivant un contact ponctuel est à peu près le même pour tous les types de roches étudiés, environ 32°. On discute enfin l’influence, sur la résistance au cisaillement résiduelle, des fines produites dans le processus de cisaillement et celle de l’état de surface de la surface de séparation.