The effect of normal stiffness on the shear resistance of rock

Summary

The Effect of Normal Stiffness on the Shear Resistance of Rock

This paper presents the theory and design of a shear machine whose normal stiffness could be varied by four orders of magnitude. Experimental techniques, testing procedures, and special equipment designed by the Bureau of Mines for determining the effect of normal stiffness on the shear stress-normal displacement behavior of intact and prepared joint surfaces of both hard (granite) and soft (sandstone) rock under constant shear displacement rate are described. Experimental results are presented which show that the effect of increasing the normal stiffness on either intact rock or fractured surfaces is to provide increased normal confinement. Increased normal confinement results in an increased shear strength for rock. Engineering significance of this result is discussed.

Zusammenfassung

Der Einfluβ der Nachgiebigkeit normal zur Scherfläche auf den Scherwiderstand von Gestein

Diese Abhandlung beschäftigt sich mit der Theorie und dem Entwurf eines Scherapparates, dessen Nachgiebigkeit normal zur Scherfläche in vier Stufen verändert werden kann. Es werden Experimentiertechniken, Testverfahren sowie die Spezialausrüstung beschrieben, die vom Bureau of Mines zur Bestimmung des Einflusses der Formänderung oder der Nachgiebigkeit normal zur Scherfläche auf das Verhältnis Schubspannung—Normalverschiebungen entwickelt wurde. Bei den Untersuchungen wurden Probekörper ohne und mit Trennflächen herangezogen; bei den Versuchen wurde hartes Gestein (Granit) und weiches Gestein (Sandstein) verwendet.

Die Versuchsergebnisse zeigen, daß bei Probekörpern mit und ohne Scherfläche durch die behinderte Formänderung normal zur Scherkraft die Einspannung in dieser Richtung zunimmt. Mit der erhöhten Einspannung ist ein Anwachsen der Scherfestigkeit verbunden. Die Bedeutung dieser Untersuchungen für die Praxis werden diskutiert.

Résumé

L'influence de la déformabilité normale au joint de cisaillement sur la résistance au cisaillement de roches

Ce rapport présente la théorie et la conception d'un appareil de cisaillement dont la déformabilité normale au joint de cisaillement peut être variée en quatre paliers. On donne une description de la technique expérimentale de la procédure des essais et des équipements spéciaux conçu par le Bureau de Mines afin de déterminer l'influence de la déformation normale au joint de cisaillement sur le rapport de la contrainte de cisaillement au déplacement normale au joint. Des essais ont été effectué avec des éprouvettes sans et avec joint de cisaillement. Soit avec une roche dure “granit” soit avec une roche tendre “grès”. Les essais ont montré que pour toutes les éprouvettes avec ou sans joint de cisaillement la déformation normale au joint de cisaillement empêchée augmente l'effet de l'encastrement dans cette direction. Cette augmentation de l'effet de l'encastrement est liée à celle d'une résistance au cisaillement. La signification de ces résultats pour la pratique de l'ingénieur est exposée.