Skip to main content
Erschienen in: Bulletin of Engineering Geology and the Environment 4/2017

20.10.2016 | Original Paper

Stress generated by the freeze–thaw process in open cracks of rock walls: empirical model for tight limestone

verfasst von: Marion Bost, Ahmad Pouya

Erschienen in: Bulletin of Engineering Geology and the Environment | Ausgabe 4/2017

Einloggen

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

In mountainous areas, freezing is a prominent phenomenon for weathering processes in rock walls. A freezing front penetrates rock crack networks and causes its propagation. To study the evolution of rock mass stability, a suitable model of stress generated by freezing in open rock cracks is needed. This stress evaluated by the simple volume expansion model in a closed crack is too high to be realistic. In this paper, we present an assessment method for this stress and some results. Different experiments on notched limestone specimens submitted to freeze–thaw cycles were performed. Three different tight limestones (Larrys, Chamesson, Pierre de Lens) were tested. Actually, the stress generated by freezing begins to grow at the top of the notch where an ice plug is created and makes it possible for higher stresses to develop in deeper parts of the notch. Consequently, the stress induced by freezing depends on the geometry of the open crack represented by the notch. This value is, however, limited by the permeability of the surrounding rock matrix. A model of the stress evolution generated by freezing along an open crack was established and its envelope curve, named maximum stress, was parameterized. This maximum stress generated by freezing along the crack is completely defined by knowledge of the pore network of the limestone matrix and the geometry of the crack.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Literatur
Zurück zum Zitat AFNOR (1973) NF B10-504. French Standard: Quarry products—Limestones—Measurement of the coefficient of water absorption AFNOR (1973) NF B10-504. French Standard: Quarry products—Limestones—Measurement of the coefficient of water absorption
Zurück zum Zitat Amitrano D, Arattano M, Chiarle M, Mortara G, Occhiena C, Pirulli M, Scavia C (2010) Microseismic activity analysis for the study of the rupture mechanisms in unstable rock masses. Nat Hazards Earth Sci 10:831–841CrossRef Amitrano D, Arattano M, Chiarle M, Mortara G, Occhiena C, Pirulli M, Scavia C (2010) Microseismic activity analysis for the study of the rupture mechanisms in unstable rock masses. Nat Hazards Earth Sci 10:831–841CrossRef
Zurück zum Zitat Berthier R (1958) La physique du gel. Bull RILEM 40:7–21 Berthier R (1958) La physique du gel. Bull RILEM 40:7–21
Zurück zum Zitat Bost M (2008) Altération par le gel des massifs rocheux: Etude expérimentale et modélisation des mécanismes de génération des contraintes dans les fissures. Dissertation, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées Bost M (2008) Altération par le gel des massifs rocheux: Etude expérimentale et modélisation des mécanismes de génération des contraintes dans les fissures. Dissertation, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées
Zurück zum Zitat Bousquié P (1979) Texture et porosité de roches calcaires. Relations avec la perméabilité, L’ascension capillaire, la gélivité, la conductivité thermique. Dissertation, University of Pierre et Marie Curie, Paris VI Bousquié P (1979) Texture et porosité de roches calcaires. Relations avec la perméabilité, L’ascension capillaire, la gélivité, la conductivité thermique. Dissertation, University of Pierre et Marie Curie, Paris VI
Zurück zum Zitat Bridgman PW (1912) Water, in the liquid and five solid forms, under pressure. Proc Am Acad Arts Sci 47:441–558CrossRef Bridgman PW (1912) Water, in the liquid and five solid forms, under pressure. Proc Am Acad Arts Sci 47:441–558CrossRef
Zurück zum Zitat Chen TC, Mori N, Suzuki T, Shoji H, Goto T (2000) Experimental study on crack development pf rock specimens by freezing and thawing cycles. Soils Found 40(2):41–48CrossRef Chen TC, Mori N, Suzuki T, Shoji H, Goto T (2000) Experimental study on crack development pf rock specimens by freezing and thawing cycles. Soils Found 40(2):41–48CrossRef
Zurück zum Zitat Clark M, Small J (1982) Slopes and weathering. Cambridge topics in geography, vol 2. Cambridge University Press, Cambridge Clark M, Small J (1982) Slopes and weathering. Cambridge topics in geography, vol 2. Cambridge University Press, Cambridge
Zurück zum Zitat Davies MCR, Hamza O, Harris C (2001) The effect of rise in mean annual temperatures on the stability of rock slopes containing ice-filled discontinuities. Permafr Periglac Process 12:137–144. doi:10.1002/ppp.378 CrossRef Davies MCR, Hamza O, Harris C (2001) The effect of rise in mean annual temperatures on the stability of rock slopes containing ice-filled discontinuities. Permafr Periglac Process 12:137–144. doi:10.​1002/​ppp.​378 CrossRef
Zurück zum Zitat De Kock T, Boone MA, De Schryver T, Van Stappen J, Derluyn H, Masschaele B, De Schutter G, Cnudde V (2015) A pore-scale study of fracture dynamics in rock using X-ray micro-CT under ambient freeze-thaw cycling. Environ Sci Technol 49(5):2867–2874. doi:10.1021/es505738d CrossRef De Kock T, Boone MA, De Schryver T, Van Stappen J, Derluyn H, Masschaele B, De Schutter G, Cnudde V (2015) A pore-scale study of fracture dynamics in rock using X-ray micro-CT under ambient freeze-thaw cycling. Environ Sci Technol 49(5):2867–2874. doi:10.​1021/​es505738d CrossRef
Zurück zum Zitat Derruau M (1996) Les formes du relief terrestre. Notion de géomorphologie, 8th edn. Armand Colin Publisher, Paris Derruau M (1996) Les formes du relief terrestre. Notion de géomorphologie, 8th edn. Armand Colin Publisher, Paris
Zurück zum Zitat Djaballah Masmoudi N (1998) Modélisation et expérimentation de la perméabilité et des mécanismes de transfert dans les milieux poreux au cours du gel. Dissertation, University of Pierre et Marie Curie, Paris VI Djaballah Masmoudi N (1998) Modélisation et expérimentation de la perméabilité et des mécanismes de transfert dans les milieux poreux au cours du gel. Dissertation, University of Pierre et Marie Curie, Paris VI
Zurück zum Zitat Fahey BD, Lefebure TH (1988) The freeze-thaw weathering regime at a section of the Niagara escarpment on the Bruce Peninsula, Southern Ontario, Canada. Earth Surf Process Landf 13:293–304. doi:10.1002/esp.3290130403 CrossRef Fahey BD, Lefebure TH (1988) The freeze-thaw weathering regime at a section of the Niagara escarpment on the Bruce Peninsula, Southern Ontario, Canada. Earth Surf Process Landf 13:293–304. doi:10.​1002/​esp.​3290130403 CrossRef
Zurück zum Zitat Frayssines M (2005) Contribution à l’évaluation de l’aléa éboulement rocheux (rupture). Dissertation, University of Joseph Fourier, Grenoble Frayssines M (2005) Contribution à l’évaluation de l’aléa éboulement rocheux (rupture). Dissertation, University of Joseph Fourier, Grenoble
Zurück zum Zitat Groupe Falaise (2001) Prévention des mouvements de versants et des instabilités de falaises. Confrontation des méthodes d’étude des éboulements rocheux dans l’arc alpin. Programme Interreg IIC-Falaises Méditerranée Occidentale et Alpes Latines Groupe Falaise (2001) Prévention des mouvements de versants et des instabilités de falaises. Confrontation des méthodes d’étude des éboulements rocheux dans l’arc alpin. Programme Interreg IIC-Falaises Méditerranée Occidentale et Alpes Latines
Zurück zum Zitat Hirschwald J (1912) Handbuch der bautechnischen gesteinsprüfung. Borntraeger, Berlin Hirschwald J (1912) Handbuch der bautechnischen gesteinsprüfung. Borntraeger, Berlin
Zurück zum Zitat Huygens C (1666) Effet du froid sur l’eau renfermée dans un canon de pistolet. Volume de l’Académie Royale des sciences de Paris Huygens C (1666) Effet du froid sur l’eau renfermée dans un canon de pistolet. Volume de l’Académie Royale des sciences de Paris
Zurück zum Zitat Ishikawa M, Kurashige Y, Hirakawa K (2004) Analysis of crack movements observed in an alpine bedrock cliff. Earth Surf Process Landf 28:883–891. doi:10.1002/esp.1076 CrossRef Ishikawa M, Kurashige Y, Hirakawa K (2004) Analysis of crack movements observed in an alpine bedrock cliff. Earth Surf Process Landf 28:883–891. doi:10.​1002/​esp.​1076 CrossRef
Zurück zum Zitat Iskandar A (1990) Caractérisation de l’espace poreux de roches sédimentaires par l’étude d’équilibres capillaires. Dissertation, Ecole Nationale des Ponts et Chaussée, Paris Iskandar A (1990) Caractérisation de l’espace poreux de roches sédimentaires par l’étude d’équilibres capillaires. Dissertation, Ecole Nationale des Ponts et Chaussée, Paris
Zurück zum Zitat Javey C (1972) L’altération des roches et des monuments. Étude documentaire, Bull. BRGM 3(1):39–66 Javey C (1972) L’altération des roches et des monuments. Étude documentaire, Bull. BRGM 3(1):39–66
Zurück zum Zitat Krautblatter M, Funk D, Gunzel FK (2013) Why permafrost rocks become unstable: a rock-ice-mechanical model in time and space. Earth surf Process Landf 38:876–887. doi:10.1002/esp.3374 CrossRef Krautblatter M, Funk D, Gunzel FK (2013) Why permafrost rocks become unstable: a rock-ice-mechanical model in time and space. Earth surf Process Landf 38:876–887. doi:10.​1002/​esp.​3374 CrossRef
Zurück zum Zitat Letavernier G (1984) La gélivité des roches calcaires. Relations avec la morphologie du milieu poreux. Dissertation, University of Caen Letavernier G (1984) La gélivité des roches calcaires. Relations avec la morphologie du milieu poreux. Dissertation, University of Caen
Zurück zum Zitat Lévy C, Baillet L, Jongmans D, Mourot P, Hantz D (2010) Dynamic response of the Chamousset rock column (Western Alps, France). J Geophys Res. doi:10.1029/2009JF001606 Lévy C, Baillet L, Jongmans D, Mourot P, Hantz D (2010) Dynamic response of the Chamousset rock column (Western Alps, France). J Geophys Res. doi:10.​1029/​2009JF001606
Zurück zum Zitat Litvan GG (1978) Freeze-thaw durability of porous building materials. Durability of building materials and Components. ASTM Spec Tech Publ 691:455–463 Litvan GG (1978) Freeze-thaw durability of porous building materials. Durability of building materials and Components. ASTM Spec Tech Publ 691:455–463
Zurück zum Zitat Lliboutry L (1964) Traité de glaciologie: Glaciers, variations du climat, sols gelés, vol 2. Masson & cie Publishers, Paris Lliboutry L (1964) Traité de glaciologie: Glaciers, variations du climat, sols gelés, vol 2. Masson & cie Publishers, Paris
Zurück zum Zitat Mateos RM, Garcia-Moreno I, Azanon JM (2012) Freeze-thaw cycles and rainfall as triggering factors of mass movements in a warm Mediterranean region : the case of the Tramuntana range (Majorca, Spain). Landlsides 9:417–432. doi:10.1007/s10346-011-0290-8 Mateos RM, Garcia-Moreno I, Azanon JM (2012) Freeze-thaw cycles and rainfall as triggering factors of mass movements in a warm Mediterranean region : the case of the Tramuntana range (Majorca, Spain). Landlsides 9:417–432. doi:10.​1007/​s10346-011-0290-8
Zurück zum Zitat Matsuoka N (2001) Direct observation of frost wedging in alpine bedrock. Earth Surf Process Landf 26:601–614CrossRef Matsuoka N (2001) Direct observation of frost wedging in alpine bedrock. Earth Surf Process Landf 26:601–614CrossRef
Zurück zum Zitat Panet M (1976) La mécanique des roches appliquée aux ouvrages de génie civil. Ecole Nationale des Ponts et Chaussées Edition Panet M (1976) La mécanique des roches appliquée aux ouvrages de génie civil. Ecole Nationale des Ponts et Chaussées Edition
Zurück zum Zitat Pellerin FM (1980) La porosimétrie au mercure appliquée à l’étude géotechnique des sols et des roches. Bull Liaison Labo P Et Ch 106:105–116 Pellerin FM (1980) La porosimétrie au mercure appliquée à l’étude géotechnique des sols et des roches. Bull Liaison Labo P Et Ch 106:105–116
Zurück zum Zitat PIARC G2 (1999) Technical Committee 7.2 Natural Disaster Reduction. Natural Disaster Reduction for Roads—Final Report. ISBN 2-84060-109-5 PIARC G2 (1999) Technical Committee 7.2 Natural Disaster Reduction. Natural Disaster Reduction for Roads—Final Report. ISBN 2-84060-109-5
Zurück zum Zitat Pouya A (1991) Comportement rhéologique du sel gemme. Application à l’étude des excavations souterraines. Dissertation, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées Pouya A (1991) Comportement rhéologique du sel gemme. Application à l’étude des excavations souterraines. Dissertation, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées
Zurück zum Zitat Powers TC (1949) The air requirement of frost-resistant concrete. Proc Highw Res Board 29:184–211 Powers TC (1949) The air requirement of frost-resistant concrete. Proc Highw Res Board 29:184–211
Zurück zum Zitat Powers TC, Helmuth RA (1953) Theory of volume changes in hardened Portland cement paste during freezing. Proc Highw Res Board 32:285–297 Powers TC, Helmuth RA (1953) Theory of volume changes in hardened Portland cement paste during freezing. Proc Highw Res Board 32:285–297
Zurück zum Zitat Prick A (1995) Dilatometrical behaviour of porous calcareous rock samples subjected to freeze-thaw cycles. Catena 25:7–20CrossRef Prick A (1995) Dilatometrical behaviour of porous calcareous rock samples subjected to freeze-thaw cycles. Catena 25:7–20CrossRef
Zurück zum Zitat Salençon, J (2002) Mécanique des Milieux Continus, Editions de l’Ecole Polytechnique, France Salençon, J (2002) Mécanique des Milieux Continus, Editions de l’Ecole Polytechnique, France
Zurück zum Zitat Scherer GW (1999) Crystallization in pores. Cem Concr Res 29:1347–1358CrossRef Scherer GW (1999) Crystallization in pores. Cem Concr Res 29:1347–1358CrossRef
Zurück zum Zitat Teixeira J (2001) L’étrange comportement de l’eau ultra-froide. Pour la Sci 28:84–91 Teixeira J (2001) L’étrange comportement de l’eau ultra-froide. Pour la Sci 28:84–91
Zurück zum Zitat Tharp TM (1987) Conditions for crack propagation by frost wedging. Geol Soc Am Bull 99:94–102CrossRef Tharp TM (1987) Conditions for crack propagation by frost wedging. Geol Soc Am Bull 99:94–102CrossRef
Zurück zum Zitat Valadas B (1975) Quelques résultats d’observations de terrain en matière de gélifraction actuelle dans le Massif Central français. VIth International Congress Les problèmes posés par la gélifraction. Recherches fondamentales et appliquées, rapport no 109, Fondation Française d’Etudes Nordiques: Le Havre Valadas B (1975) Quelques résultats d’observations de terrain en matière de gélifraction actuelle dans le Massif Central français. VIth International Congress Les problèmes posés par la gélifraction. Recherches fondamentales et appliquées, rapport no 109, Fondation Française d’Etudes Nordiques: Le Havre
Zurück zum Zitat Walder J, Halet B (1985) A theoretical model of the fracture of rock during freezing. Geol Soc Am Bull 96:336–346CrossRef Walder J, Halet B (1985) A theoretical model of the fracture of rock during freezing. Geol Soc Am Bull 96:336–346CrossRef
Zurück zum Zitat Wegmann M, Gudmundsson GH (1999) Thermally induced temporal strain variations in rock walls observed at subzero temperatures. In: Hutter K, Wang Y, Beer H (eds) Advances in cold region thermal engineering and sciences. Lecture Notes in Physics. Springer, Heidelberg, pp 511–518CrossRef Wegmann M, Gudmundsson GH (1999) Thermally induced temporal strain variations in rock walls observed at subzero temperatures. In: Hutter K, Wang Y, Beer H (eds) Advances in cold region thermal engineering and sciences. Lecture Notes in Physics. Springer, Heidelberg, pp 511–518CrossRef
Metadaten
Titel
Stress generated by the freeze–thaw process in open cracks of rock walls: empirical model for tight limestone
verfasst von
Marion Bost
Ahmad Pouya
Publikationsdatum
20.10.2016
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Erschienen in
Bulletin of Engineering Geology and the Environment / Ausgabe 4/2017
Print ISSN: 1435-9529
Elektronische ISSN: 1435-9537
DOI
https://doi.org/10.1007/s10064-016-0955-6

Weitere Artikel der Ausgabe 4/2017

Bulletin of Engineering Geology and the Environment 4/2017 Zur Ausgabe