Scale Effect On the Geometrical And Mechanical Properties of Rock Joints Available to Purchase

A pair of silicon rubber replicas of size 250 mm by 250 mm, from a natural rock joint, was used to produce several high strength concrete fracture replicas of different sizes, from 50 mm by 50 mm to 200 mm by 200 mm. The morphology of the concrete fracture replicas were digitized at the laboratory using a 3D-laser-scanning machine with high accuracy and resolution. The scale dependency of the geometrical properties, including surface roughness and aperture, of the samples were investigated using fractal method. The investigation was extended to study the scale effect on the mechanical properties of the concrete fracture replicas. Four concrete replicas having same geometry from each sampling size were sheared under four different normal loads. The results show that normal and shear stiffness and peak shear strength decrease with increasing sample size and decreasing normal stress. It is concluded that for accurate determination of geometrical and mechanical properties of rock joints in the laboratory and field scales, samples with size equal to or larger than stationarity limit are required.

Silikongummiabdruecke der Größe 250 mm × 250 mm einer natuerlichen Kluft dienten als Vorlage fuer mehrere Hochfestbeton Rissreplikas verschiedener Größe. Die Morphologie der Beton Rissreplikas wurde mittels eines 3D-Laserscanners hoher Genauigkeit und Auflösung im Labor digitalisiert. Die Skalenabhangigkeit der geometrischen Eigenschaften, dies inklusive Oberflachenrauhigkeit und Öffnungsweite, wurden mittels Fraktalen bestimmt. Die Studie wurde durch die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften der Betonrepliken erweitert. Hierbei wurden vier Betonrepliken der selben Geometrie jeder Probengrösse unter vier verschiedenen normalen Belastungen abgeschert. Die Ergebnisse zeigen das sowohl Normal- und Schersteifigkeit als auch die Spitzenscherfestigkeit mit zunehmender Probengrösse und abnehmender Normalspannung abnehmen. Es hat sich gezeigt, daß fuer eine genaue Bestimmung der geometrischen und mechanischen Eigenschaften von Felsklueften im Labor und im Feld Proben einer Größe gleich oder größer des stationaren Limits verlangt werden.

Deux repliques en gomme de silicone d'une fracture naturelle, de dimension 250 mm par 250 mm, ont ete utilisees pour produire des repliques en beton de haute resistance de dimensions allant de 50 mm par 50 mm à 200 mm par 200 mm. La morphologie de ces repliques a ete digitalisee au laboratoire à l'aide d'un laser-scanner 3D haute resolution et haute precision. L'influence de l'echelle des proprietes geometriques, incluant rugosite et ouverture, a ete etudiee en utilisant la methode des fractales. Des essais complementaires ont ete realises afin d'etudier l'effet d'echelle sur les proprietes mecaniques des repliques de fracture en beton. Quatre repliques beton de même geometrie pour les differentes tailles d'echantillons ont ete cisaillees sous quatre valeurs de contrainte normale. Les resultats montrent que la rigidite normale et tangentielle ainsi que la resistance de pic diminuent en proportion de l'augmentation de la taille de l'echantillon et de la diminution des contraintes normales. On peut en conclure que, pour une determination precise des proprietes geometriques et mecaniques des fractures au laboratoire et sur le terrain, des echantillons de taille egale ou superieure à la limite stationnaire sont necessaires.