ABSTRACT

Strength, deformability and fluid flow properties of rock joints are to a great extent controlled by the surface roughness. The hydraulic conductivity of a rock fracture depends on the aperture distribution, the surface roughness and the contact area, each of which depend on the stresses that act on the fracture plane. However, despite much recent work, a complete understanding of the relationship between void space geometry, contact areas, applied stress, and hydraulic conductivity has yet to be achieved. Moreover, although in situ rock joints are subjected to both normal and shear loading, few studies have been conducted to investigate the effect of shear displacements on fluid flow through a single rock fracture, and which have addressed the issue of flow anisotropy induced by shearing. Experimental flow tests show that with increasing shear displacement, the fracture becomes heterogeneous and anisotropic, and becomes more permeable in the direction parallel to the displacement (Yeo et al., 1998). On the other hand, dry shear tests show that the surface fails in areas facing the shear direction (Grasselli and Egger, 2003). Moreover, the experimental results confirm that the shear strength of rock joints is direction-dependent.

RESUME

La rugosite des joints en roche joue un rôle primaire sur la reponse hydromecanique du massif fracture. En effet, la conductivite hydraulique des discontinuites en roche est influencee par la rugosite, et par la distribution des ouvertures et des zones de contact, dont chacun depend de l'effort normal et du cisaillement qui agissent sur la surface du joint. Les essays d'ecoulement en laboratoire montrent que si cisaillee, la fracture devient anisotrope, et plus permeable dans la direction parallèle au deplacement (Yeo et al., 1998). D'autre part, les essais de cisaillement indiquent que seules les zones de la surface qui font face à la direction de cisaillement sont impliquees dans le cisaillement (Grasselli et Egger, 2003). D'ailleurs, les resultats experimentaux confirment que la resistance au cisaillement des joints de roche est dependante de la direction. Dans cet article, plusieurs fractures en roche ont ete analysees en utilisant un système de mesure topographique à l'Universite de Bale. La methode d'analyse de donnees proposee par Grasselli (Grasselli et al., 2002a) a ete employee pour calculer les paramètres de la surface qui determinent la resistance au cisaillement.

ZUSAMMENFASSUMG

Die Festigkeit, Verformbarkeit und Hydromechanik von geklueftetem Fels wird hauptsachlich von der Oberflachenrauhigkeit der Bruchflachen bestimmt. Die hydraulische Leitfahigkeit einer Kluft hangt von der Verteilung der Rissbreiten, der Oberflachenrauhigkeit und den Kontaktflachen ab, die ihrerseits von dem auf die Bruchflache wirkenden Druck beeinflusst werden. Obgleich in letzter Zeit viel in dieser Richtung geforscht wurde, kann der Zusammenhang zwischen Porenraumgeometrie, Kontaktflachen, wirkendem Druck und hydraulischer Leitfahigkeit noch nicht vollstandig erklart werden. Obwohl Kluefte in situ sowohl Normal- als auch Schubspannungen ausgesetzt sind, wurde der Einfluss von Scherverschiebungen auf den Kluftwasserfluss und die daraus resultierende Fliessanisotropie in einer einzelnen Kluft bisher kaum untersucht. Experimentelle Untersuchungen des Durchflusses zeigen, dass die Kluft fuer größer werdende Scherverschiebungen heterogen und anisotrop wird wobei die Permeabilitat parallel zur Verschiebungsrichtung ansteigt (Yeo et al., 1998). Andererseits zeigen trockene Scherversuche, dass die Oberflache an Stellen versagt, die gegen die Verschiebungsrichtung anstehen (Grasselli und Egger, 2003). Des weiteren bestatigen die experimentellen Ergebnisse eine Richtungsabhangigkeit der Kluftscherfestigkeit. In diesem Artikel wird eine dreidimensionale morphologische Beschreibung mehrerer natuerlicher, durch Scherspannungen verschobener Kluefte vorgestellt, die vom Automated Topographic System der Universitat von Basel erstellt wurde.

Introduction

The assessment and management of natural resources, as well as of risks associated with natural hazards, play a crucial role for the sustainable development of a liveable and safe environment. One of the major problems for efficient management is the current lack of a thorough understanding of the physical processes involved in most kinds of natural phenomena.

In rock mechanics and petroleum engineering, it is known that the macroscopic behaviour of rock masses and reservoirs are to a great extent controlled by the presence of joints, bedding planes, faults, and other recurrent planar features. The hydro-mechanical behaviour of the rock mass on a large scale is controlled by the density and orientation of these features, and also by physical properties of the individual joints and fractures themselves. In turn, the properties of the individual joints and fractures, such as their strength, deformability, and permeability, are greatly influenced by the surface roughness of the joint surfaces.

Among all factors that influence the behaviour and the stability of rock masses, fractures play a major role. Therefore, their full understanding is important in all fields of rock mechanics (i.e., tunnelling, rock slope stability, foundations in rock, etc.).

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