Deformation phenomena in jointed rock
Authors: Barton N. R. 
Published: October 2009

The role of rock joints in rock mass deformation phenomena is described. Individually, joints display concave-shaped stress-closure curves under normal loading and convex-shaped stress–displacement curves under shear, usually accompanied by dilation. The deformation behaviour of rock masses depends on the relative magnitudes of these components of closure, shear and dilation. The deformation of a rock mass may result in dramatic changes in the joint apertures and conductivities. Conversely, changes in joint water pressure cause changes in joint aperture which affect the overall deformation of the rock mass. Examples of compaction in jointed reservoirs and leakage phenomena in pressure tunnels are cited, each of which may be caused by changes in effective stress. The presence of rock joints is seen to affect stress slabbing phenomena in tunnels and is the suspected cause of depth-dependent contrasts of stress in sedimentary rocks. The phenomenon of hydraulic shearing of joints is discussed with particular reference to geothermal reservoir stimulation. Shearing is also the suspected mechanism in cases of mine flooding, following seismic loading. A method of modelling this dilation-conductivity coupling is presented. The Paper concludes by analysing the role of joint dilation in stress transformations and in the behaviour of underground openings. Rock masses have greater resistance to shear than predicted owing to non-coaxial stress and strain components. The shear strength and both the shear and normal stress components are affected by dilation.

L'article décrit le rôle joué par les joints des roches dans les phénomènes de déformation en masse des roches. Individuellement les joints montrent des courbes de contrainte-fermeture concaves sous des charges normales et des courbes de contrainte-déplacement convexes sous le cisaillement, généralement accompagnées de dilatance. Le comportement de déformation des masses rocheuses dépend des valeurs relatives de la fermeture, du cisaillement et de la dilatance. La déformation d'une masse rocheuse peut produire des changements dramatiques dans les ouvertures des joints et dans les conductibilités. Réciproquement, des changements dans la pression de l'eau dans les joints provoquent des changements dans leurs ouvertures qui affectent la déformation totale de la masse rocheuse. L'article mentionne des exemples de compactage dans des réservoirs jointoyés et des phénomènes de fuite dans des tunnels de pression. Chacun de ces exemples ayant pu être causé par des changements dans les contraintes effectives. On observe que la présence de joints dans les roches affecte les phénomènes de formation de dalles par contrainte dans les tunnels et représente la cause présumée des contrastes de contrainte en profondeur dans les roches sédimentaires. On discute le phénomène du cisaillement hydraulique plus particulièrement eu égard à la stimulation géothermique des réservoirs. Le cisaillement est aussi la cause présumée de cas d'inondation de mines à la suite de chargements sis-miques. Après avoir présenté une méthode pour model-iser cette combinaison de dilatance et de conductibilité l'article conclut par l'analyse de rôle joué par la dilatation des joints dans les transformations de contrainte et aussi dans le comportement des ouvertures souterraines. Les masses rocheuses ont une résistance au cisaillement supérieure à la valeur prédite, à cause des composantes non-coaxiales de déformation et de contrainte. La dilatance affecte à la fois la résistance au cisaillement et les composantes de cisaillement et de contrainte normale.