Rock mechanics analyses of exfoliation fractures at Långören island

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Siren, Topias
dc.contributor.author Rantanen, Tuomas
dc.date.accessioned 2016-12-08T13:35:06Z
dc.date.available 2016-12-08T13:35:06Z
dc.date.issued 2016-11-21
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/23669
dc.description.abstract Exfoliation fracturing is a worldwide observed and studied fracturing phenomenon in rock. However, the true cause of this type of fracturing remains still currently unidentified. While one of the most recent exfoliation fracturing observations occurred at Långören island in South-Western Finland, the aim of this thesis was to discover the reason for this local event by employing a fracture mechanics code FRACOD2D. As the fracturing occurred at the end of the exceptionally hot summer period, the thermal conditions were considered highly important for the analysis. The weather conditions were determined based on the historical data and in situ monitoring, which was performed at the island. In addition, the stress field, topography and previous post-glacial conditions were estimated in order to account different exfoliation theories. As a result, three alternative theories, which were topography induced high stress, post-glacial pressure release and summertime induced thermal expansion, were selected to be modelled. Exfoliation fractures were detected in all of the modelling cases, while the undulating convex topography and high compressive stress state were applied. In this context, the topography, which was the most capable of producing high tensile stresses was also the most appropriate regarding the development of exfoliation fractures. As the solely high in situ compression seems slightly unrealistic and the post-glacial conditions could not be included in the present day fracturing, the thermal expansion was evaluated as the most probable cause of the Långören exfoliation events. The long-term thermal expansion was also discovered to induce additional stresses much deeper compared to short-term thermal impact. Thus, the fractures very close to the rock surface could be generated by the expansion due to the sudden temperature peak while high average temperatures would be required for further fracture development. The results of this study indicate that very high stresses are necessary for the exfoliation fracturing. Actually several factors can affect behind high compression and the thermal expansion represents only one of them. This master’s thesis provided basis for the more profound exfoliation analyses with fracture mechanics approach. Con-sequently, for example, time-dependent fracture growth, pre-existing fractures, viscoelasticity, direction-dependent rock mass strength and improved accuracy can be employed in the future modelling. en
dc.description.abstract Eksfoliaatiorakoilu on maailmanlaajuisesti tunnettu kallioperän ilmiö, jonka todellista alkuperää ei ole kuitenkaan pystytty todistamaan tieteellisesti. Vaikka rakoilun yleinen syntymekanismi onkin vielä nykyisin tuntematon, tämän diplomityö tavoitteena oli selvittää syy vuonna 2014 Långörenin saarella Koillis-Suomessa tapahtuneelle eksfoliaatiorakoilulle käyttäen rakomekaanista mallinnusohjelmistoa FRACOD2D:ta. Raot syntyivät poikkeuksellisen kuuman kesäkauden päätteeksi, joten termiset olosuhteet määriteltiin olennaisiksi tekijöiksi tutkimuksen kannalta. Reunaehdot lämpötilojen osalta hankittiin käyttäen ilmatieteenlaitoksen tilastollista dataa ja in situ mittauksin selvitettyjä kallion lämpötilajakaumia. Lisäksi jännitystila, topografia ja jääkauden jälkeiset olosuhteet määriteltiin karkeasti, jotta eksfoliaatiorakoilua oli mahdollista simuloida eri teorioihin perustuen. Työhön mallinnettavaksi valikoituivat teoriat topografian aiheuttamasta korkeasta jännitystilasta, jääkauden jälkeisestä kuormanpoistumisesta ja kesäkauden aiheuttamasta lämpölaajenemisesta. Eksfoliaatiorakoja syntyi kaikissa eri teorioihin perustuvissa rakomekaanisissa malleissa, kun käytettiin kumpuilevaa kuperaa topografiaa ja suhteellisen korkeaa puristusjännitystä. Eniten eksfoliaatiorakoilua synnyttänyt topografia oli se, jossa syntyi suurimpia vetojännityksiä suhteessa mallinnettuun puristukseen. Toisaalta hyvin korkea tektoninen puristusjännitys vaikuttaa epärealistiselta eikä jääkauden jälkeisillä olosuhteilla kyetty selittämään nykyisin ilmenevää eksfoliaatiota. Täten kausit-tainen lämpölaajeneminen valikoitui kaikkein mahdollisimmaksi rakoilun alkuperäksi Långörenin saaren tapauksessa. Pitkän aikavälin lämpölaajeneminen aiheutti mallinnuksissa lisäjännityksiä selvästi syvemmälle verrattuna lyhyen aikavälin lämpölaajenemiseen. Tästä syystä lyhytaikainen korkea lämpötila voisi synnyttää rakoja vain hyvin lähellä kalliopintaa, kun taas pitkän ajanjakson saatossa korkea keski-lämpötila voisi aiheuttaa rakoja useiden metrien syvyyteen. Työssä esitettyjen tulosten mukaisesti tietynlainen topografia ja korkea puristusjännitys ovat välttämättömiä vaatimuksia eksfoliaatiorakojen synnylle. Korkea puristusjännitys saattaa kuitenkin lämpölaajenemisen ohella aiheutua useiden eri tekijöiden seurauksena. Työn tarjoamia reunaehtoja eksfoliaation synnylle voidaan toisaalta hyödyntää tulevissa tutkimuksissa. Lisäksi esimerkiksi aikariippuvaa raonkasvua, olemassa olevia rakoja, viskoelastisuutta ja suuntariippuvaa kalliomassan lujuutta voidaan huomioida tulevaisuudessa yhä tarkemmissa analyyseissä. fi
dc.format.extent 71+5
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.title Rock mechanics analyses of exfoliation fractures at Långören island en
dc.title Långörenin saaren eksfoliaatiorakojen kalliomekaaninen analysointi fi
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö fi
dc.contributor.school Insinööritieteiden korkeakoulu fi
dc.subject.keyword exfoliation fracturing en
dc.subject.keyword fracture mechanics en
dc.subject.keyword thermal expansion en
dc.subject.keyword modelling en
dc.subject.keyword fracod en
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201612085860
dc.programme.major Pohja- ja kalliorakentaminen fi
dc.programme.mcode IA3028 fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.contributor.supervisor Rinne, Mikael
dc.programme Rakenne- ja rakennustuotantotekniikan koulutusohjelma fi


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account