Rock mechanics

, Volume 10, Issue 1–2, pp 1–54

# The shear strength of rock joints in theory and practice

• N. Barton
• V. Choubey
Article

## Summary

### The Shear Strength of Rock Joints in Theory and Practice

The paper describes an empirical law of friction for rock joints which can be used both for extrapolating and predicting shear strength data. The equation is based on three index parameters; the joint roughness coefficientJRC, the joint wall compressive strengthJCS, and the residual friction angleφ r . All these index values can be measured in the laboratory. They can also be measured in the field. Index tests and subsequent shear box tests on more than 100 joint samples have demonstrated thatφ r can be estimated to within ± 1° for any one of the eight rock types investigated. The mean value of the peak shear strength angle (arctanτ/σ n ) for the same 100 joints was estimated to within 1/2°. The exceptionally close prediction of peak strength is made possible by performing self-weight (low stress) sliding tests on blocks with throughgoing joints. The total friction angle (arctanτ/σ n ) at which sliding occurs provides an estimate of the joint roughness coefficientJRC. The latter is constant over a range of effective normal stress of at least four orders of magnitude. However, it is found that bothJRC andJCS reduce with increasing joint length. Increasing the length of joint therefore reduces not only the peak shear strength, but also the peak dilation angle and the peak shear stiffness. These important scale effects can be predicted at a fraction of the cost of performing large scale in situ direct shear tests.

## Key words

shear strength joint shear test friction compressive strength weathering roughness dilation stiffness scale effect prediction

## Zusammenfassung

### Die Scherfestigkeit von Kluftflächen in Theorie und Praxis

Zur Ermittlung der Reibungswerte in Kluftflächen wird ein empirisches Gesetz beschrieben, das sowohl das Extrapolieren als auch das Voraussagen von Scherfestigkeitszahlen ermöglicht.

Die Gleichung ist auf drei Indexzahlen gegründet: Den Rauhigkeitskoeffizienten der KluftJRC (Joint Roughness Coeff.), die Druckfestigkeit des Felses der KluftwändeJCS (Joint Wall Compression Strength) und der residuelle Reibungswinkel der Trennflächeφ r .

Die Indexzahlen können alle im Laboratorium bestimmt oder am Ort gemessen werden. Bestimmung von Indexzahlen mit nachfolgenden Prüfungen im Scherapparat von mehr als 100 Kluftproben haben erwiesen, daß für jede beliebige der acht untersuchten Gesteinsarten der Reibungswinkelφ r auf ± 1° genau geschätzt werden kann.

Der Durchschnittswert des Reibungswinkels (arc tan (τ/σ n ) der Höchstscherfestigkeit wurde für dieselben 100 Klüfte auf ± 1/2° genau geschätzt. Die besonders genaue Vorausschätzung der Höchstscherfestigkeit ist durch Eigengewicht-Gleitversuche (niedrige Spannungen) auf Gesteinsblöcken mit durchgehenden Trennflächen ermöglicht. Der totale Reibungswinkel (arc tanτ/σ n ), bei dem das Gleiten eintrifft, ergibt eine Abschätzung des Rauhigkeitskoeffizienten der KluftJRC. Der Rauhigkeitskoeffizient bleibt über einen Normal-Spannungsbereich von mindestens vier Größenanordnungen konstant. Die IndexzahlenJRC (Rauhigkeitskoeffizient) undJCS (Druckfestigkeitskoeffizient) reduzieren sich aber bei zunehmenden Kluftlängen. Bei zunehmender Kluftflächengröße nehmen nicht nur die Höchstscherfestigkeit, sondern auch der zugehörige Dilatanzwinkel und die Schubsteifigkeit ab. Diese wichtigen Einflüsse der geometrischen Abmessungen können geschätzt und zahlenmäßig erfaßt werden, und zwar mit Kosten, die nur einen Bruchteil von denen betragen, die für große, direkte Scherversuche in situ erforderlich wären.

## Schlüsselwörter

Scherfestigkeit Trennflächen Schertest Reibung Druckfestigkeit Verwitterung Rauhigkeit Dehnung Steifigkeit Einfluß der Abmessungen Vorhersage

## Résumé

### La résistance au cisaillement des joints de roches en théorie et en pratique

Le rapport traite d'une loi empirique du frottement dans les joints de roches, loi pouvant être utilisée tant pour l'extrapolation que pour la prédiction de données relatives à la résistance au cisaillement. L'équation est basée sur trois indices de paramètres: coefficient de rugosité du joint (joint roughness coefficient —JRC), résistance de la paroi à la compression (joint wall compressive strength —JCS), et l'angle de frottement résiduelφ r . Toutes ces valeurs d'indice peuvent être mesurées au laboratoire. Elles peuvent aussi l'être in situ. Des tests d'indice, avec ensuite des tests en boîte de cisaillement, sur plus de 100 échantillons de joints, ont permis de constater que, pour n'importe quel des huit types de roche étudiés, l'angle de frottementφ r peut être évalué avec une précision de ± 1°. La valeur moyenne de l'angle maximum de la résistance au cisaillement (arctanτ/σ n ) pour les mêmes 100 joints fut évaluée avec une précision de 1/2°. La prédiction particulièrement précise de la résistance maximum au cisaillement est rendue possible par la réalisation d'essais de glissement dits “de poids propre” (faible contrainte) sur des blocs à joints passant de part en part. L'angle de frottement total (arctanτ/σ n ) auquel le glissement se manifeste, fournite une estimation du coefficient de rugosité du joint,JRC. Ce dernier est constant à l'intérieur d'une plage de tensions normales effectives d'au moins quatre ordres de grandeur. Cependant, on a trouvé que les indicesJRC (rugosité) comme ceuxJCS (compression) diminuent quand la longueur du joint augmente. Ainsi, si la langueur du joint augmente, cela réduira non seulement la résistance maximum au cisaillement, mais aussi l'angle maximum de dilatation et la rigidité maximum de cisaillement. Ces importants effets d'échelle peuvent être prédits, et ce à des coûts ne représentant qu'une fraction de ceux liés à des tests directs de cisaillement effectués in situ.

## Mots-clefs

résistance au cisaillement joint essai de cisaillement frottement résistance à la compression délitation rugosité dilatation rigidité effet d'échelle prédiction

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