Characterization of the Three Dimensional Roughness of Rock Joints and Proposal of a Modified Shear Strength Criterion

Surface roughness profiles were measured from 19 joint samples using a laser scanner, and Joint Roughness Coefficient (JRC) values were calculated from 30 sections in each sample. Although JRC values varied with the location of the section, the average JRC values from any three sections provides an adequate representation of the average JRC value for the entire surface well. Direct shear tests were performed on nine joints reproduced using molds of real joints in samples of gypsum. The peak friction angles (${\phi}_p$) showed a linear relationship with the average JRC values, yielding the following relationship: ${\phi}_p=41.037+1.046JRC$. However, the shear strengths measured by direct shear tests differed from those calculated using Barton's criterion. The relationship between calculated from direct shear tests and JRC measured from joint surfaces is defined as $JRC_R=f{\cdot}JRC$, and the correction coefficient f is was calculated as $f=3.15JRC^{-0.5}$, as calculated by regression. A modified shear-strength criterion, is proposed using the correction coefficient, ${\tau}={\sigma}_n{\cdot}tan(3.15JRC^{0.5}{\bullet}{\log}_{10}\frac{JCS}{{\sigma}_n}+{\phi}_b)$. This criterion may be effective in calculating the shear strength of moderately weathered rock joints and highly weathered rock joints with low strength and ductile behavior.

암석 절리의 3차원 거칠기 특성화와 수정 전단강도 관계식의 제안

19개의 절리면에 대해 레이저 스캐너를 이용하여 형상을 측정한 후, 각 절리면의 30개 단면에 대하여 절리 거칠기 계수(Joint Roughness Coefficient)를 계산하였다. JRC 값은 단면의 위치에 따라 매우 큰 차이를 보이고 있으나 3개의 단면에서 측정된 JRC의 평균값은 절리면 전체의 JRC 평균값을 잘 대표할 수 있을 것으로 판단된다. 9개의 절리면에 대해서 석고를 이용한 복제 시료를 제작하여 절리면 전단시험을 실시하였다. 최대마찰각(${\phi}_p$)은 JRC의 평균값과 ${\phi}_p=41.037+1.046JRC$의 직선의 관계를 보인다. 그러나 절리면 전단시험에서 측정된 전단강도는 절리면에서 측정된 JRC의 평균값을 사용하여 Barton의 관계식에서 추정된 전단강도보다 상당한 오차를 보여, 절리면 전단시험에서 역산된 $JRC_R$과 JRC의 관계를 $JRC_R=f{\cdot}JRC$로 정의하고 회귀분석하여 수정계수 $f=3.15JRC^{-0.5}$를 도출하였고, 이 수정계수를 적용하여 Barton의 전단강도 관계식을 ${\tau}={\sigma}_n{\cdot}tan(3.15JRC^{0.5}{\bullet}{\log}_{10}\frac{JCS}{{\sigma}_n}+{\phi}_b)$로 수정하여 제안하였다. 이 관계식은 강도가 비교적 낮고 연성의 특성을 보이는 풍화암이나 연암의 절리면 전단강도 추정에 적용될 것으로 기대된다.