Study of the frictional behaviour of planar saw-cut rock surfaces towards a methodology for tilt testing and its application to case studies

Abstract

Las rocas se presentan en la corteza terrestre en forma de macizos rocosos. Un macizo rocoso está compuesto de roca, que a su vez presenta discontinuidades o juntas de origen geológico diverso, las cuales tienden a regir su comportamiento. Este hecho se comenzó a comprender y a tener en cuenta en el ámbito de la investigación a medida que fue evolucionando la ingeniería de los macizos rocosos. En los a˜nos 60 y 70 del siglo pasado, se comenzó a tratar de una manera más rigurosa el papel que juegan estas discontinuidades en el comportamiento mecánico de los macizos rocosos. Esta es la razón por la que, en aquel momento, junto con otros avances relevantes, se propuso un criterio relativamente preciso para la determinación de la resistencia al corte de las juntas en roca, que cristalizaría años después en lo que hoy se conoce como el enfoque de Barton-Bandis. Esta formulación propuesta por Barton y Bandis (1982), se utiliza en ingeniería aplicada para calcular la resistencia al corte de las discontinuidades de roca. Necesita cinco parámetros de entrada, a saber, el ángulo de fricción básico, potencialmente derivado del ensayo de inclinación o tilt-test, el coeficiente de rugosidad de la junta, la resistencia a la compresión de la junta (potencialmente derivada del número de rebotes del martillo Schmidt o esclerómetro en la junta de la roca), el número de rebotes del martillo Schmidt en roca fresca y la escala, además de una variable, la tensión normal a la que está sometida la junta. De estos parámetros, el ángulo de fricción básico es el que a menudo tiene el mayor impacto en la resistencia al corte de la discontinuidad. Sin embargo, el procedimiento para estimarlo, típicamente basado en ensayos de inclinación o tilt tests, no ha sido estudiado con demasiada profundidad. Hasta la fecha se han propuesto un buen número de criterios de resistencia al corte de juntas o discontinuidades en roca. Los estudios en este ámbito parecen haberse centrado más en la estimación de los parámetros de entrada geométricos, como la rugosidad, que en otros aspectos. Sin embargo, el componente de fricción básica (típicamente denominado ángulo de fricción básico) ha sido en general menos estudiado, teniéndose apenas en cuenta en algunos casos. Sin embargo, una estimación incorrecta de este parámetro puede llevar a una mala interpretación de la resistencia al corte de las discontinuidades de roca, con un impacto potencialmente significativo en los diseños y análisis de estabilidad en la realización de obras a cielo abierto y subterráneas. Por las razones antes mencionadas, esta tesis de doctorado estudia en profundidad el denominado ángulo de fricción básico de las discontinuidades en roca, así como la naturaleza y la influencia de varios parámetros experimentales (como el tiempo, el desgaste, la velocidad de inclinación, la geometría de las probetas o la micro-rugosidad) en relación a los resultados de los ensayos tipo tilt test utilizados para su cuantificación. Para ello, se llevaron a cabo varios programas experimentales que abordan uno o varios de estos parámetros para cuantificar su impacto en la medida del ángulo de fricción básico. Se utilizaron también técnicas estadísticas para interpretar los resultados de los conjuntos de datos obtenidos. Además, en colaboración con otros organismos y universidades, se llevó a cabo un programa experimental (considerado como un estudio de referencia, o benchmark) para analizar cómo los diferentes procedimientos seguidos en diferentes laboratorios afectan a los resultados. Entre los antedichos factores, se prestó atención al desgaste de la superficie, a los procedimientos de corte, a la longitud de deslizamiento de la probeta, al procedimiento de limpieza de la superficie y a la potencial vibración producida por la máquina de ensayos, ya que éstos podrían tener influencia sobre los resultados. Este estudio comparativo experimental internacional demostró que los ángulos de deslizamiento o fricción básica obtenidos mediante ensayos de inclinación en superficies de rocas serradas, tienden a ser similares cuando las condiciones de ensayo están suficientemente controladas. A partir del análisis de los resultados de todos estos estudios, se consideró apropiado intentar avanzar hacia la estandarización del ensayo de inclinación o tilt test mediante el control de los factores experimentales más importantes que afectan los resultados. Basándose en lo aprendido en dichos estudios, esta tesis se propuso como un trabajo de apoyo para el desarrollo de una metodología sugerida (Suggested Method, denominación establecida por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas e Ingeniería de Rocas o ISRM) para la obtención del ángulo de fricción básico de discontinuidades en roca mediante ensayos de inclinación o tilt tests, concebida para proporcionar un procedimiento sencillo, regulado y reproducible para obtener este parámetro tan relevante. Este método sugerido, aceptado como norma en muchos países, fue publicado a finales del a˜no pasado (Alejano et al., 2018a).

Rock masses are typically formed by rocks and they include a number of discontinuities of geological origin that tend to govern their behaviour. Researchers started to understand this in parallel with the development of rock engineering. Accordingly, in the 60’s and 70’s of the past century, the relevant mechanical role of these discontinuities was started to be treated in a more rigorous manner. This is why, at that time, together with other relevant advances, a rather accurate shear strength criterion for rock joints was proposed, crystallizing in the so-called Barton-Bandis approach. This formulation is typically used to compute shear strength of rock discontinuities in practical rock engineering. It needs five input parameters, namely, basic friction angle potentially derived from tilt tests, joint roughness coefficient, joint compressive strength (potentially derived from Schmidt hammer rebounds on the rock joint), Schmidt hammer rebounds on fresh rock and scale, and one variable, normal stress. From these inputs the basic friction angle is one that often has the largest impact on rock joint shear strength. However, the procedure to estimate it, typically based on tilt testing, has been poorly studied. A large number of shear strength criteria for rock joints have been developed so far. A relevant effort has been put on the estimation of roughness input parameters. However, the basic frictional component (typically the basic friction angle) has been less studied, it can be said that it has been somehow disregarded. An incorrect estimation of this parameter can lead to a misinterpretation of the shear strength of rock discontinuities, with potentially significant impact on rock engineering design. Based on the aforementioned reasons, this PhD thesis is intended to study in depth what is known as ‘basic friction angle’ of rock discontinuities, as well as the nature and influence of several experimental parameters (like time, wear, tilting rate, geometry or micro-roughness) in relation to tilt-test results. Various experimental programs addressing one or some of these parameters were carried out to quantify their impact on basic friction angle. Statistical tools were used to interpret dataset results. Additionally, in collaboration with other research institutions, an experimental program or benchmark study was carried out to check how different procedures followed in different laboratories might affect results. This multi-country experimental benchmark study demonstrated that sliding angles for saw-cut rock surfaces determined by tilt tests performed in different laboratories tend to be similar when test conditions are sufficiently controlled. Attention was drawn on surface wear, cutting procedures, test sliding distance, cleaning practices and potential vibration produced by the tilting table as issues potentially affecting results. Based on this study, it was considered appropriate to try to advance towards standardization of tilt tests by controlling the most important factors affecting results. Relying on previous experimental based findings, this thesis is proposed as a supporting work for the development of a suggested methodology for tilt testing —ISRM Suggested Method, (Alejano et al., 2018a)—, conceived to provide a straightforward procedure to obtain sufficiently reproducible and reliable test results. As a final phase and example of application of the developed studies, knowledge acquired in relation to tilt testing and basic friction angle has been applied to the study of the stability of an irregular granite boulder. A stability assessment against sliding and toppling of this paradigmatic ellipsoid-shaped granitic boulder, known as the Pena do Equilibrio and located in Ponteareas (Pontevedra, Spain) was carried out. For this study, other innovative techniques, such as photogrammetry from Unmanned Aerial Vehicle (UAV) and terrestrial laser scanner (LiDAR) were applied for an accurate computation of the boulder geometry. In turn, this opened the door for more accurate stability assessment of complex-geometry boulders and other rock structures, something that was difficult to carry out in the past due to the difficulties in computing odd-shape boulder geometry.