One of the major unresolved problems in rock mechanics is the quantitative characterisation of roughness of rock joints. Surfaces of two natural rock joints were measured by a 3D-laser technique. Standard deviation of the asperity heights, spherical variance of the asperity slopes and power spectral density of the surface geometry were determined. Scale dependency of these variables was investigated by progressively increasing the sampling size. Application of fractal theory and power spectral analysis gives the same result in terms of scale dependency of the surface statistics. Representative size of the samples and the stationarity thresholds of roughness were determined by studying the sills which emerge in the standard deviation of the asperity heights and of the slope of the polygonal interpolation of the surface when sampling size increases. Results show that a stationarity threshold does exist for rock joints and this threshold plays an important role in determining the representative size of rock samples and their hydro-mechanical behaviour.
Un des problemes majeurs non-resolus en mecanique des roches est la caracterisation quantitative de la rugosite des fractures. Les surfaces de deux joint naturels ont ete mesures avec une technique laser tri-dimensionelle. La moyenne des ecarts au cartes de la hauteur des asperites, la variance spherique de la pente des asperites et la densite spectrale de puissance de la geometrie de la surface furent determines. La dependance d'echelle de ces variables a ete etudiee par un accroissement successif de la taille des echantillons, L'application de la theorie des fractales et l'analyse spectrale de puissance ont donne independamment le même resultat en terme de dependence d'echelle de la statistique de surface. La taille representative des echantillons et le seuil de stationarite de la rugosite ont ete determines par l'etude de l'existence d'un seuil de la moyenne des ecarts au cartes de la hauteur des asperites et par la pente de l'interpolation polygonale de la surface quand la taille de l'echantillon augmente. Les resultats montrent que le seuil de stationarite existe pour les joints de roche et que ce seuil joue un rale important dans la taille representative des echantillons de roche pour l'evaluation de leur comportement hydro-mecanique.
Eines der grundsatzlichen und bisher ungelösten Probleme der Felsmechanik ist die quantitative Beschreibung der Rauhigkeit von Gesteisklueften. Oberflachen von natuerlichen Gesteinsklueften wurden mittels einer 3-D Lasertechnik vermessen. Standardabweichung der Rauhigkeitshöhen, die raumliche Varianz der Rauhigkeitsneigungen und die Power-Spectrum- Dichte der Oberflachengeometie wurden untersucht. Die Abhangigkeit dieser Variablen vom Maßstab wurde mittels zunehmender Probengröße untersucht. Fraktal Theorie und Power-Spectrum-Analyse, liefem das gleiche Ergebnis bezueglich der Maßstabsabhangigkeit der Oberflachenstatistik. Reprasentative Probengrößen und der stationare Schwellenwert der Rauhigkeit wurden bestimmt durch die Untersuchung von vorhandenen Schwellenwerten der Standardabweichung von Rauhigkeitshöhen und Neigungen der polygonalen Interpolation der Oberflache bei zunehmender, Probengröße.Die Ergebnisse zeigen, daß ein stationarer Schwellenwert fuer Gesteinskluefte existiert und daß dieser Schwellenwert eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der reprasentativen Gesteinsprobengröße und dem hydro-mechanischem Verhalten spielt.
Quantification of the roughness of rock joints by a suitable set of geometrical parameters is of major importance in rock mechanics. Especially when characterising in-situ rough fractures, it is desirable to measure a restricted number of geometrical parameters instead of measuring the whole surface topography.
For roughness representation, the effect of sample size is important. Roughness is scale dependent and its descriptors vary with the scale of observation. Therefore, the results of shear and flow tests of joint samples are also dependent on the size of the tested sample, Careful analysis of the surface geometry can be used to identify the relationship between hydro-mechanical properties and roughness parameters of rock joints, with respect to sampling size. The, scale beyond which those properties become scale independent defines the representative sample size.
This paper reports a set of parameters necessary and sufficient to quantitatively describe the roughness and angularity of natural rock joints. Special attention is devoted to the quantification of stationarity of joint roughness and of representative size of joint samples.
Scanning and data processing of the joint surface measurements are often very time-consuming, therefore powerful techniques and computing resources are required.
