Large Scale Laboratory Tests of the Shear Strength of Rocky Material

Summary

Large scale laboratory tests of shear strength of Rocky Material. Large scale laboratory tests of shear strength in calcareous rock mass were recently made with the purpose of examining the stability of an arch (concrete) dam. To achieve this purpose the tests were carried out by means of a special large shear apparatus with a capacity of 60 (and 120) tons in the vertical and horizontal directions. The samples were 40 × 40 cm, with a height of about 20 cm.

The rock mass tested was a cleanly stratified limestone the layers of which were intersected by joint systems. The geological columnar profile showed here and there intersected with solid limestone thin plastic layers of clay, clayey marl and peat ranging in thickness from 1–40 cm.

A classification of stratification planes and joints was devised during the tests, giving particular consideration to their roughness and the nature of the filling. In addition, the thin plastic layers were also classified by thickness and composition of material.

Altogether about 70 samples were tested for shear strength, and the thin plastic layers were tested with respect to compressibility. The results of this kind of tests are of great value when the samples contain planes of different shear characteristics.

On the basis of these tests it was possible to gain additional knowledge both in regard to qualitative and quantitative parameters and also to determine their interrelation, obtaining a better knowledge of the nature of shear-lines in the “Shear Stress-Strain” diagram.

Together with other geological data the results of the tests can be of great use in the analysis of model tests and determination of potential sliding planes. On the basis of these investigations approximate values of the safety factor of the dam in relation to its abutments can be obtained.

Zusammenfassung

Großmaßstäbliche Laboratoriumsuntersuchungen über die Scherfestigkeit des Gebirges. Im Rahmen der Untersuchungen liber die Fundamentsstabilität einer Bogenmauer sind umfangreiche Prüfungen der Scherfestigkeit des dort anstehenden Kalkgesteines durchgeführt worden. Diese wurden mit Hilfe eines speziellen Schergerätes, das die Aufprügung einer llöchstlast von 60 Tonnen in senkrechter und 120 Tonnen in waagrechter Richtung ermöglicht, ausgeführt. Die Versuchskörper hatten 40 × 40 cm Grundfläche und eine Höhe von zirka 20 cm.

Die untersuchte Felsmasse bestand aus Kalkstein mit deutlich ausgebildeter Schichtung, der von Rißsystemen durchschnitten war. Das geologische Profil zeigt stellenweise teils dickere, teils dünnere plastische, tonige, mergelige und kohlehaltige Schichten. Die Dicke der Schichten bewegt sich zwischen 1 und 20 cm.

Anläßlich der Untersuchungen wurde eine Klassifikaton der Sedimentationsfugen und der Klüfte sowohl hinsichtlich der Rauhigkeit als auch des zertrümmerten Kluftfüllungsmaterials vorgenommen. Weiters wurden die plastischen Schichten nach der Art der Materialien und nach ihrer Dicke klassifiziert. Auf Grund dieser Einteilung wurden gegen 70 Versuchskörper unter Berücksichtigung der Zusammendrückbarkeit, insbesondere auch der plastischen Schichten, auf Scherfestigkeit untersucht. Die Versuchsergebnisse zeigten, daß bei Kluftflächen mit verschiedener Charakteristik der Scherfestigkei solche Untersuchungen von großem Nutzen sind. Auf Grund dieser Untersuchungen war es möglich, einzelne Parameter qualitativ und quantitativ eingehender kennenzulernen, ihre gegenseitige Abhängigkeit zu bestimmen und Scherspannungs-Deformations-Diagramme aufzutragen. Die Zuordnung der Spannungen a und r zu den Deformationen Δ s wurde ebenfalls dargestellt.

Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen, zusammen mit anderen geologischen Angaben, dienen als Grundlage sowohl für die Berechnung als auch für die Modellversuche zur Bestimmung der potentiellen Bruchflächen. Daraus kann man die Sicherheit der Staumauerwiderlager abschätzen und in Beziehung zum Sicherheitsgrad der Staumauer bringen.

Résumé

Essais de laboratoire sur la résistance au cisaillement des roches è grande échelle. Dans le cadre des recherches sur la stabilité des fondations des barrages voûtes, on a effectué des essais d’une grande portée sur la résistance au cisaillement des calcaires. Ces essais ont été exécutés à l’aide d’un appareil de cisaillement spécial capable d’efforts verticaux de 60 tonnes et d’efforts horizontaux de 120 tonnes. La taille de l’éprouvette est 40 sur 40 cm, avec une hauteur de 20 cm.

Le massif rocheux calcaire étudié avait une stratification très marquée, et les bancs étaient entièrement traversés par un réseau de joints. La coupe géologique comportait par endroits des couches plastiques, argileuses, marneuses ou charbonneuses, d’une épaisseur comprise entre 1 et 20 cm.

A l’occasion de ces essais, on a enterpris une classification des joints de sédimentation et de diaclases, tant d’après leur rugosité que d’après la nature du matériau détritique remblissant les joints. On a classé aussi les couches plastiques d’après la nature et l’épaisseur de leur matériau. Conformément à ces classifications on a examiné la résistance au cisaillement de 70 éprouvettes environ.

Les résultats obtenus ont montré l’utilité de ces essais lorsqu’il existe diverses surfaces à propriétés de cisaillement variées. On a pu connaître plus en détail certains paramètres, à la fois qualitativement et quantitativement, déterminer leurs relations, et se familiariser avec les graphiques donnant la contrainte de cisaillement en fonction de la déformation. On a représenté aussi la relation des contraintes normales et tangentielles avec les déformations.

Les résultats des essais effectués peuvent être utilisés avec d’autres données géologiques, tant pour le calcul que pour des essais sur modèle, pour déterminer les surfaces de rupture potentielles et pour obtenir des valeurs approchées du coefficient de sécurité d’une construction en ce qui concerne la stabilité de sa fondation.