Analytical and numerical approaches to estimate peak shear strength of rock joints

• Main Author: Ríos Bayona, Francisco
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Jord- och bergmekanik 2019
• Subjects: Rock joint; Shear strength; Failure criterion; Numerical shear tests; Bergsprickor; Skjuvhållfasthet; Brottkriterium; Numeriska skjuvförsök; Civil Engineering; Samhällsbyggnadsteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-248019; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-7873-150-3

In Sweden, there exists a large number of dams. Many of them are founded on rock masses normally affected by the presence of sub-horizontal rock fractures, which makes sliding along rock joints under the dam foundation one of the most critical failure mechanism. Various attempts have been made to relate the peak shear strength of rock joints to measurable parameters. However, the uncertainty in the determination of the shear strength of rock joints is nonetheless still significant.The main aim of this thesis is to investigate, develop and apply analytical and numerical techniques for estimation of peak shear strength of natural and unfilled rock joints. In a first step, the peak shear strength of several natural and unfilled rock joint was calculated by using surface aperture measurements from high-resolution optical scanning and a modified version of the analytical criterion previously developed by Johansson and Stille in 2014. In a second step, PFC2D was utilised to perform numerical shear tests on two-dimensional profiles selected from high-resolution optical scanning on unweathered and perfectly mated tensile induced rock joints.The results from the analytical approach show that the calculated peak shear strengths of the analysed samples are in good agreement compared with the laboratory investigations. Conversely, the obtained results from the numerical approach show lower peak shear strengths in the analysed two-dimensional profiles compared with the conducted laboratory shear tests.The analytical approach together with the advanced techniques to measure surface roughness available today, may be a possible way forward towards a methodology to determine peak shear strength of large-scale natural rock joints in-situ. === Bergsprickors skjuvhållfasthet är en avgörande faktor för att kunna bestämma säkerheten mot gliding för dammar där sub-horisontella utbredda bergsprickor existerar. Samtidigt är parametern svår att bestämma då den påverkas av flera faktorer som sprickytans råhet, vittringsgrad, normalspänning, skala samt passning. Skjuvhållfasthet av bergsprickor kan bestämmas genom att använda empiriska och analytiska brottkriterier samt numeriska metoder. Problemet med de befintliga metodikerna är att de inte beaktar inverkan från sprickans passning. Detta innebär att hållfastheten riskerar att överskattas.Det övergripande syftet med denna licentiatuppsats är att studera, utveckla och tillämpa analytiska och numeriska metoder för uppskattning av skjuvhållfasthet för naturliga och ofyllda bergsprickor. I ett första steg beräknades skjuvhållfastheten för ett antal naturliga och ofyllda bergsprickor. Detta gjordes genom att mäta aperturen baserat på högupplöst skanning och en vidareutvecklad version av det analytiska kriteriet som föreslogs av Johansson och Stille 2014. I ett andra steg användes PFC2D för att genomföra numeriska skjuvtester på två-dimensionella sprickprofiler baserat på högupplöst skanning av perfekt passade och draginducerade bergsprickor.Resultaten från uppskattad skjuvhållfasthet med den analytiska metodiken visar på en bra överensstämmelse i jämförelse med de utförda skjuvförsöken. Resultaten från de utförda analyserna med PFC2D visar på en något lägre skjuvhållfasthet än vad som observeras i verkligheten.Den utvecklade analytiska metodiken, tillsammans med de avancerade tekniker som idag finns för att mäta sprickytornas råhet, bedöms kunna utgöra ett första steg mot att bättre kunna bestämma den storskaliga skjuvhållfastheten för bergsprickor i fält. === <p>QC 20190402</p>