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Solution parameters of carbonate rocks

  • James A. N. 
Symposium on Engineering Geolgoical Problems of Construction on Soluble Rocks

Abstract

Hydraulic structures founded on carbonate rocks can be endangered by progressive enlargement of fissures or the formation of solution cavities as aggressive (unsaturated) waters percolate through them. Previous literature describes how both the rate and manner of enlargment of fissures depend upon the solubilities and solution rate constants of soluble rocks. It has also been shown that the safe maximum size of fissures for a given hydraulic structure can be calculated from the solution parameters of the rock.

It has been suggested that carbonate rocks of various origins and types have very different solution properties, thus complicating site investigation procedures and the design of foundations. However, this paper describes the results of laboratory experiments on ten distinctly different specimens of carbonate rocks, which show that the solubilities and solution rate constants are all very similar.

In pure water, solubilities of different carbonate rocks are virtually the same as pure calcium carbonate and solution rate constants are between 1.2 and 3.3×10−5 m/s. These differences in solution rate constants are too small to be significant in engineering design.

The solution rate constants decrease by a factor of about ten when dissolved by water containing carbon dioxide in the concentration range 5×10−4 to 3×10−2 Moles/litre. However within this range of concentrations the rate constants are 1.8 to 2.7×10−6 m/s.

In deciding how to safeguard the foundations of hydraulic structures in carbonate rocks against solution it is therefore not necessary to know the type or geological origin of the carbonate rock. However, to determine the solubility of the rocks the chemical composition of the inflowing seepage water must be known, also the sizes and distributions of fissures must be assessed by direct observations or by other methods such as water tests in boreholes.

The paper shows that fissures smaller than about 400 μm are unlikely to be dangerous in most foundations in carbonate rocks. An appropriate grouting programme can be designed for rocks containing large fissures.

Keywords

Carbonate Rock Calcium Carbonate Solution Rate Hydraulic Structure Petrographic Description 

Parametres de dissolution des roches carbonatees

Résumé

Des structures hydrauliques fondées sur des roches carbonatées peuvent être mises en danger par l'augmentation progressive des fissures ou, par la formation des cavités de dissolution si elles sont percolées par des eaux agressives. La littérature décrit comment le degré et le mode d'augmentation de la fissuration dépendent tous les deux de la solubilité et des constantes du taux de dissolution des roches solubles. On a montré aussi que la taille maximale des fissures pour la sécurité d'une structure hydraulique donnée peut être calculée à partir des paramètres de dissolution des roches.

On a indiqué que les roches carbonatées d'origines et de types différents ont des propriétés diverses; ceci complique les investigations et les projects de fondation. Cet essai décrit les résultats des expériences en laboratoire qui ont été effectuées sur dix spécimens de roches carbonatées très visiblement différentes. Ces expériences montrent que la solubilité et les constantes de dissolution sont toutes très semblables.

Les solubilités des différentes roches dans l'eau pure sont vraiment les mêmes que celles du carbonate pur de calcium. Les constantes de dissolution varient entre 1,2 et 3,3×10−5 m/s. Ces différences de constantes de dissolution sont trop petites pour être significatives au sens de l'ingénieur.

La constante de dissolution décroit d'un facteur de dix, si la dissolution se fait par l'eau chargée en gaz carbonique, à une concentration de 5×10−4 à 3×10−2 moles/litre. Dans ces ordres de grandeur de concentration les constantes de dissolution varient de 1,8 à, 2,7×10−6 m/s.

Pour décideer comment protéger les fondations des structures hydrauliques dans les roches carbonatées contre la dissolution, il n'est pas nécessaire de savoir le type ou l'origine géologique de la roche carbonatée. Toutefois, il est évident qu'on doit connaître la composition chimique de l'eau s'infiltrant pour déterminer la solubilité des roches. De même l'étendue et la distribution des fissures doivent être estimées par des observations directes ou par d'autres méthodes comme des tests d'eau dans les trous de forage.

L'article montre que les fissures de moins de 400 μm ne sont pas dangereuses pour la plupart des fondations sur les roches carbonatées. Un programme d'injections approprié aux roches qui continnent de grande fissures.

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References

  1. BRNETT, A. D., and EPPS, R. J. (1979): The engineering geological description of carbonate suite rocks and soils. Ground Engineering March, 41–48.Google Scholar
  2. JAMES, A. N. and KIRKPATRICK, I. M. (1980): Design of foundations of dams containing soluble rocks and soils. Quaterly Journal Geol. London, Vol. 13, 189–198.CrossRefGoogle Scholar
  3. JAMES, A. N. and LUPTON, A. R. R. (1978): Gypsum and anhydrite in foundations of hydraulic structures. Géotechnique 28, No. 3, 249–272.CrossRefGoogle Scholar
  4. MARTINEZ, A. A. (1969): Grouted Cut-offs in Karstic Formations, Presented to the Spanish National Society of rock Mechanics in September.Google Scholar
  5. PICKNETT, R. G. (1973): Saturated calcite solutions from 10 to 40 Degrees C: A Theoretical Study evaluating the solubility product and other constants. Cave Res. G. B. Trans 15 No. 2, 67–79.Google Scholar
  6. SHEDLOVSKY, T. and MACINNES, D. A. (1935): The first ionisation constant of carbonic acid. J. Amer. Chem. Soe, 57, p. 1705.CrossRefGoogle Scholar
  7. SMITH, D. L. and NEWSON, M. D. (1974): The dynamics of solutional and mechanical erosion in limestone catchments of the Mendip hills, Somerset, Spec. Publ. Inst. Br. Geogr. (London), 6, 155–167.Google Scholar
  8. SWEETING, M., EDE, D. P. and NEWSON, M. D. (1973): Some results and applications of Karst hydrology. The Geographical Journal, Vol. 139, Part 2, June, 280–310.CrossRefGoogle Scholar
  9. SWEETING, M. and SWEETING, G. S. (1969): Some aspects of the carboniferous limestone in relation to its landforms with particular reference to N. W. Yorkshire and County clare. Revue Géographique des Pays Méditerranéens, No. 7, 201–209.Google Scholar
  10. TRUDGILL, S. T. (1977): Problems in the estimation of short-term variations in limestone erosion processes. Earth Surface Processes, Vol. 2, 251–256.CrossRefGoogle Scholar
  11. WEYL, P. K. (1959): The change in solubility of calcium carbonate with temperature and carbon dioxide content. Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol. 17, 214–225.CrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© International Association of Engineering Geology 1981

Authors and Affiliations

  • James A. N. 
    • 1
  1. 1.Binni & PartnersLondonUK

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